Des physiciens capturent des images d’atomes circulant le long d’une frontière sans résistance malgré les obstacles sur leur chemin

En règle générale, les électrons sont des agents libres qui peuvent se déplacer dans la plupart des métaux dans n’importe quelle direction. Lorsqu’ils rencontrent un obstacle, les particules chargées subissent des frottements et se dispersent de manière aléatoire, comme des boules de billard qui entrent en collision.

Mais dans certains matériaux exotiques, les électrons peuvent sembler circuler dans un seul but. Dans ces matériaux, les électrons peuvent se fixer sur le bord du matériau et circuler dans une seule direction, comme des fourmis marchant en file indienne le long de la limite d’une couverture.

Dans cet « état de bord » rare, les électrons peuvent circuler sans frottement, glissant sans effort autour des obstacles tout en restant concentrés sur leur flux périphérique. Contrairement à un supraconducteur, où tous les électrons d’un matériau circulent sans résistance, le courant transporté par les modes de bord se produit uniquement à la limite d’un matériau.

Des physiciens du MIT ont pu observer directement les états limites d’un nuage d’atomes ultra-froids. Pour la première fois, l’équipe a capturé des images d’atomes s’écoulant le long d’une limite sans résistance, même lorsque des obstacles sont placés sur leur chemin.

Les résultatsqui apparaissent dans Physique de la naturepourrait aider les physiciens à manipuler les électrons pour qu’ils circulent sans frottement dans des matériaux qui pourraient permettre une transmission d’énergie et de données ultra-efficace et sans perte.

« On pourrait imaginer fabriquer de petits morceaux d’un matériau approprié et les placer à l’intérieur de futurs appareils, afin que les électrons puissent se déplacer le long des bords et entre différentes parties de votre circuit sans aucune perte », explique Richard Fletcher, co-auteur de l’étude et professeur adjoint de physique au MIT.

« Je voudrais cependant souligner que, pour nous, la beauté est de voir de ses propres yeux la physique, qui est absolument incroyable mais qui est généralement cachée dans la matière et impossible à voir directement. »

Les co-auteurs de l’étude au MIT sont les étudiants diplômés Ruixiao Yao et Sungjae Chi, les anciens étudiants diplômés Biswaroop Mukherjee Ph.D. et Airlia Shaffer Ph.D., ainsi que Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A. Frank. Les co-auteurs sont tous membres du laboratoire de recherche en électronique du MIT et du centre MIT-Harvard pour les atomes ultrafroids.

Toujours sur le fil du rasoir

Les physiciens ont d’abord invoqué l’idée des états limites pour expliquer un phénomène curieux, connu aujourd’hui sous le nom d’effet Hall quantique, que les scientifiques ont observé pour la première fois en 1980, lors d’expériences sur des matériaux stratifiés, où les électrons étaient confinés à deux dimensions. Ces expériences ont été réalisées dans des conditions ultra-froides et sous un champ magnétique.

Lorsque les scientifiques ont essayé d’envoyer un courant à travers ces matériaux, ils ont observé que les électrons ne circulaient pas directement à travers le matériau, mais s’accumulaient plutôt d’un côté, en portions quantiques précises.

Pour tenter d’expliquer ce phénomène étrange, les physiciens ont émis l’idée que ces courants de Hall sont transportés par des états de bord. Ils ont proposé que, sous l’effet d’un champ magnétique, les électrons d’un courant appliqué pourraient être déviés vers les bords d’un matériau, où ils circuleraient et s’accumuleraient d’une manière qui pourrait expliquer les observations initiales.

« La façon dont la charge circule sous l’effet d’un champ magnétique suggère qu’il doit exister des modes de bord », explique Fletcher. « Mais les voir réellement est une chose assez particulière, car ces états se produisent en quelques femtosecondes et sur des fractions de nanomètre, ce qui est incroyablement difficile à capturer. »

Plutôt que d’essayer de capturer des électrons dans un état limite, Fletcher et ses collègues ont réalisé qu’ils pourraient recréer la même physique dans un système plus grand et plus observable. L’équipe a étudié le comportement d’atomes ultra-froids dans une configuration soigneusement conçue qui imite la physique des électrons sous un champ magnétique.

« Dans notre configuration, la même physique se produit dans les atomes, mais sur des durées de quelques millisecondes et de quelques microns », explique Zwierlein. « Cela signifie que nous pouvons prendre des images et observer les atomes ramper pratiquement à l’infini le long des limites du système. »

Un monde qui tourne

Dans leur nouvelle étude, l’équipe a travaillé avec un nuage d’environ 1 million d’atomes de sodium, qu’ils ont rassemblés dans un piège contrôlé par laser et refroidis à des températures de l’ordre du nanokelvin. Ils ont ensuite manipulé le piège pour faire tourner les atomes, un peu comme les passagers d’un Gravitron de parc d’attractions.

« Le piège essaie d’attirer les atomes vers l’intérieur, mais il y a une force centrifuge qui essaie de les tirer vers l’extérieur », explique Fletcher.

« Ces deux forces s’équilibrent, donc si vous êtes un atome, vous pensez vivre dans un espace plat, même si votre monde tourne. Il existe également une troisième force, l’effet Coriolis, qui fait que s’ils essaient de se déplacer en ligne, ils sont déviés. Ces atomes massifs se comportent donc désormais comme s’ils étaient des électrons vivant dans un champ magnétique. »

Dans cette réalité artificielle, les chercheurs ont ensuite introduit un « bord », sous la forme d’un anneau de lumière laser, qui formait un mur circulaire autour des atomes en rotation. En prenant des images du système, l’équipe a observé que lorsque les atomes rencontraient l’anneau de lumière, ils coulaient le long de son bord, dans une seule direction.

« Vous pouvez imaginer que ce sont des billes que vous faites tourner très rapidement dans un bol et qui continuent à tourner autour du bord du bol », propose Zwierlein. « Il n’y a pas de friction. Il n’y a pas de ralentissement et aucun atome ne fuit ou ne se disperse dans le reste du système. Il n’y a qu’un flux magnifique et cohérent. »

« Ces atomes circulent sans frottement sur des centaines de microns », ajoute Fletcher. « Un tel écoulement sans dispersion est un type de physique que l’on ne rencontre pas habituellement dans les systèmes d’atomes ultra-froids. »

Ce flux sans effort a persisté même lorsque les chercheurs ont placé un obstacle sur le chemin des atomes, comme un ralentisseur, sous la forme d’un point lumineux qu’ils ont dirigé le long du bord de l’anneau laser d’origine. Même lorsqu’ils sont arrivés sur ce nouvel obstacle, les atomes n’ont pas ralenti leur flux ni ne se sont dispersés, mais ont glissé sans ressentir de frottement comme ils le feraient normalement.

« Nous envoyons intentionnellement cette grosse tache verte répulsive sur laquelle les atomes devraient rebondir », explique Fletcher. « Mais au lieu de cela, on voit qu’ils trouvent comme par magie leur chemin autour de la tache, retournent au mur et continuent leur petit bonhomme de chemin. »

Les observations de l’équipe sur les atomes montrent le même comportement que celui qui est prévu pour les électrons. Leurs résultats montrent que la configuration des atomes est un substitut fiable pour étudier le comportement des électrons dans les états limites.

« C’est une réalisation très nette d’un très beau morceau de physique, et nous pouvons directement démontrer l’importance et la réalité de ce bord », déclare Fletcher. « Une direction naturelle est maintenant d’introduire davantage d’obstacles et d’interactions dans le système, où les choses deviennent plus floues quant à ce à quoi s’attendre. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.