Les singularités des bandes d'énergie enfin observées et décrites

Publié par Redbran le 03/04/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Les états électroniques ou photoniques des cristaux présentent parfois des singularités qui altèrent leurs propriétés de conduction. Ce phénomène, exploité pour obtenir des isolants spécifiques dit "topologiques", n'avait encore jamais été concrètement observé et mesuré. C'est chose faite grâce à des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Pascal, de l'Institut de nanotechnologies de Lecce et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Princeton. Leurs travaux, publiés dans la revue Nature, décrivent la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) quantique de ces singularités et prédisent leur impact sur la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d'électrons et de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...).


La lumière incidente est déviée par la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins...) géométrique des états propres du système couplé exciton-photon. Cette déviation est assez similaire à celle causée par la déviation de faisceau par la courbure de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle qu'elle avait...) au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En...) d'objets massifs.
© Institut Pascal

La structure des fonctions d'ondes des électrons, dans l'espace réciproque (La réciproque est une relation d'implication.) des impulsions, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle crucial. L'évolution de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) des fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) en fonction de leur impulsion peut présenter des singularités dont la présence contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) les propriétés de conduction des solides. Un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants...) possédant ces singularités dans sa structure de bande va présenter sur sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) des états de conduction avec une unique direction de propagation. On parle alors d'isolant topologique, qui est un matériau isolant en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et présentant une conduction parfaite sur son bord. Ce principe a été étendu aux systèmes photoniques et pourrait permettre de réaliser des micro-isolateurs optiques en bloquant la réflexion d'ondes lumineuses perturbatrices. Jusqu'à présent, les expériences réalisées se sont concentrées sur des mesures de conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du...) ou sur l'existence d'états de bord unidirectionnels en photonique, et donc sur les conséquences de la présence supposée de ces singularités. Des chercheurs de l'Institut Pascal (CNRS/Université Clermont Auvergne/SIGMA Clermont), de l'Institut de nanotechnologies de Lecce (Italie) et de l'université de Princeton (États-Unis) ont enfin apporté la toute première mesure directe de la géométrie quantique d'une de ces singularités.

L'équipe a utilisé un système photonique, plus facile à manipuler et à étudier que les systèmes électroniques. Elle a mesuré et cartographié de manière directe, dans une microcavité planaire (Les planaires sont des vers plats libres nageurs ou rampants. Des espèces vivent en mer, d'autres en eau douce, jusque dans les sols très humides.) contenant des puits quantiques fonctionnant en couplage fort, la géométrie quantique des modes photoniques. Cette géométrie a révélé la présence intrinsèque de singularités de phase, qui sont à la base de la photonique topologique. Les chercheurs ont ainsi prédit et observé la trajectoire de paquets d'ondes, déviées par la présence des singularités, de manière assez similaire à la déviation d'un faisceau lumineux par la courbure de l'espace-temps au voisinage d'objets massifs.

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
- Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Malpuech - Institut Pascal - guillaume.malpuech at uca.fr

Référence:
Measurment of the quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de...) geometric tensor and of the anomalous Hall drift (Le drift est un sport automobile dans lequel le pilote contrôle le véhicule pendant qu'il glisse d'un côté vers l'autre sur une piste de course. Il se déroule sur l'asphalte et est jugé selon la vitesse, l'angle d'attaque, la méthode et...).
A. Gianfrate, O. Bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...), L. Dominici, V. Ardizzone, M. De Giorgi, D. Ballarini, G. Lerario, K.W. West, L.N. Pfeiffer, D.D. Solnyskov, D. Sanvitto, G. Malpuech,
Nature Materials (2020)
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1989-2.
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