Illustration De La Topologie Des Électrons À L’aide De “Lunettes 3D
On considère les matériaux quantiques topologiques comme une perspective prometteuse pour l’électronique à haut rendement énergétique et les technologies de pointe de l’avenir. Une de leurs caractéristiques remarquables est leur capacité à conduire des électrons polarisés en spin à leur surface, bien qu’ils soient non conducteurs à l’intérieur.
Il est important de comprendre que les électrons polarisés en spin possèdent un moment angulaire intrinsèque, ce qui indique que le sens de rotation de leur particule (spin) n’est pas entièrement aléatoire.
Topologie de l`électron et effet photoélectrique
Auparavant, les scientifiques distinguaient les matériaux topologiques des autres matériaux conventionnels en étudiant leurs courants de surface. Toutefois, il a été démontré que la topologie de l’électron est étroitement liée à ses propriétés d’onde quantique et à son spin. Ce lien a été directement démontré par l’effet photoélectrique, où la lumière aide à libérer les électrons d’un matériau comme le métal.
Le Professeur Giorgio Sangiovanni, membre fondateur du ct.qmat à Würzburg et l’un des physiciens théoriciens du projet, a comparé cette découverte à l’utilisation de lunettes 3D pour observer la topologie des électrons. Il explique : “Les électrons et les photons peuvent être décrits en mécanique quantique à la fois comme des ondes et des particules. Ainsi, les électrons possèdent un spin mesurable, grâce à l’effet photoélectrique”.
Pour ce faire, l’équipe a utilisé des rayons X à polarisation circulaire, qui possèdent un couple. Sangiovanni ajoute : “Lorsqu’un photon interagit avec un électron, le signal émis par le matériau quantique dépend de la polarisation droite ou gauche du photon.”
En substance, l’orientation du spin de l’électron détermine l’intensité relative du signal entre les deux faisceaux polarisés. Cette approche expérimentale s’apparente à l’utilisation de lunettes polarisées dans un cinéma 3D, où des faisceaux de lumière orientés différemment créent l’effet 3D, permettant la visualisation de la topologie des électrons.
Un tournant dans la caractérisation des matériaux quantiques
Cette étude pionnière, menée par le groupement d’excellence Würzburg-Dresden ct.qmat (Complexité et topologie dans la matière quantique), a permis de réaliser la toute première caractérisation topologique de matériaux quantiques. Cette prouesse a été rendue possible par l’utilisation d’un accélérateur de particules pour produire les rayons X spéciaux nécessaires, qui ont joué un rôle essentiel dans la création de l’effet “cinéma 3D” pendant l’expérience.
Les scientifiques ont consacré trois ans à cette entreprise monumentale, en commençant par le métal kagomé TbV6Sn6, un matériau quantique. Les métaux kagomé, qui ressemblent à des paniers japonais en raison de leur combinaison de réseaux triangulaires et alvéolaires, présentent un intérêt particulier pour la recherche sur les matériaux menée par le ct.qmat.
Avant de procéder à l’expérience synchrotron, l’équipe a simulé les résultats à l’aide de modèles théoriques et de superordinateurs pour s’assurer qu’elle était sur la bonne voie. Domenico di Sante, chef de projet et physicien théoricien, a souligné la concordance entre les mesures et les prédictions théoriques, ce qui a permis de visualiser et de confirmer la topologie des métaux kagomé.
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