Une nouvelle expérience repousse les limites de notre compréhension de la matière quantique topologique

De nouvelles recherches menées par des physiciens de l’Université de Princeton explorent avec une haute résolution le monde complexe et fascinant de la matière quantique topologique, une branche de la physique qui étudie les propriétés quantiques inhérentes des matériaux qui peuvent être déformés mais pas intrinsèquement modifiés. En répétant une expérience menée pour la première fois par des chercheurs de l’Université de Kyoto, l’équipe de Princeton a clarifié des aspects clés de l’expérience originale et, surtout, est parvenue à des conclusions nouvelles et divergentes, des conclusions qui font progresser notre compréhension de la matière topologique.

Comme relaté dans un article publié dans la revue Matériaux naturelsles chercheurs de Princeton ont utilisé un type spécial d’isolant magnétique réalisé en chlorure de ruthénium (α-RuCl3) pour démontrer le premier exemple d’isolant magnétique qui présente l’effet Hall thermique résultant des modes de bord quantiques des bosons en présence d’un nouveau champ de force appelée courbure de Berry.

Contexte de l’expérience

L’expérience trouve son origine dans les travaux du physicien de Princeton et lauréat du prix Nobel de 1977 Phil Anderson, qui a théorisé un nouvel état de la matière appelé liquide de spin. Ce sont des classes de matériaux magnétiques qui, même à des températures extrêmement basses, ne subissent pas ce que les physiciens appellent une transition de phase magnétique. Ceci décrit une transition abrupte vers un état dans lequel le spin à chaque site du réseau soit s’aligne dans un motif parfaitement parallèle, appelé ordre ferromagnétique, soit alterne de manière ordonnée entre le haut et le bas, appelé ordre antiferromagnétique. Plus de quatre-vingt-dix-neuf pour cent des matériaux magnétiques subissent cette transition de phase lorsqu’ils sont refroidis à des températures suffisamment basses. Anderson a suggéré le terme «frustration géométrique» pour décrire comment les liquides de spin sont empêchés de subir de telles transitions de phase.

« Pour illustrer ce concept, imaginez essayer d’asseoir des couples autour d’une table selon la règle selon laquelle chaque femme doit être assise entre deux hommes et vice versa », a déclaré N. Phuan Ong, professeur de physique Eugene Higgins à l’Université de Princeton et le auteur principal de l’article. « Si nous avons un invité qui arrive seul, cet arrangement est géométriquement impossible. »

En 2006, le physicien russe Alexei Kitaev du California Institute of Technology (Caltech) a proposé que l’état liquide de spin d’Anderson puisse être atteint sans invoquer le concept de frustration géométrique d’Anderson. Il a décrit cela dans une série d’équations élégantes et, surtout, a prédit l’existence de nouvelles particules appelées Majoranas et visons. La particule de Majorana est une particule subatomique particulièrement étrange et insaisissable qui a été théorisée pour la première fois en 1937 par le physicien italien Ettore Majorana. C’est un type de fermion; en fait, c’est le seul fermion reconnu comme identique à sa propre antiparticule.

Le travail de Kitaev a déclenché une vague de recherches pour trouver des matériaux qui pourraient réaliser ses calculs de modèle en laboratoire. Deux ans plus tard, deux physiciens, George Jackeli et Giniyat Khailyulin de l’Institut Max Planck de Stuttgart, en Allemagne, ont prédit que le chlorure de ruthénium (α-RuCl3) était le proche le plus proche. Ce matériau, qui cristallise dans un réseau en nid d’abeille, est un excellent isolant.

Par conséquent, au cours de la dernière décennie, α-RuCl3 est devenu l’un des candidats les plus étudiés pour les liquides de spin quantique. La recherche a reçu un coup de pouce considérable en 2018 lorsque le physicien Yuji Matsuda et ses collègues de l’Université de Kyoto ont rapporté l’observation de l’effet Hall thermique « à moitié quantifié » prédit dans les calculs de Kitaev.

L’effet Hall thermique, qui est analogue à l’effet Hall électrique plus familier, décrit comment un champ magnétique intense dévie latéralement un courant de chaleur appliqué. La déviation latérale engendre une faible différence de température entre deux bords de l’échantillon, qui s’inverse si le sens du champ magnétique est inversé. Alors que l’effet Hall thermique est bien établi dans les métaux comme le cuivre et le gallium, il est très rarement observé dans les isolants. En effet, dans les isolateurs, un courant thermique est véhiculé par des vibrations de réseau appelées phonons qui sont indifférents au champ magnétique, a noté Ong.

Matsuda a rapporté que leurs mesures de la conductivité thermique de Hall ont révélé qu’elle était « à moitié quantifiée ». La magnitude ne dépend que de la constante de Planck et de la constante de Boltzmann, et de rien d’autre, comme l’a prédit Kitaev. « Cette expérience, impliquant l’observation d’un courant de particules de Majorana, a suscité un énorme intérêt dans la communauté. »

Mais Ong et son équipe de recherche, familiarisés depuis longtemps avec les expériences thermiques de Hall, ont estimé qu’il y avait quelque chose qui n’allait pas dans la conclusion de Matsuda. « Je n’arrivais pas à mettre le doigt dessus », a déclaré Ong.

L’expérience

Ong et ses collègues ont décidé de répéter l’expérience. Mais cette fois, ils visaient à mener l’expérience à une résolution plus élevée et sur un intervalle de température beaucoup plus large, d’un demi-degré Kelvin à dix degrés Kelvin.

Le haut niveau de résolution était essentiel au succès de l’expérience, a expliqué Peter Czajka, l’auteur principal de l’article et étudiant diplômé en physique. « Notre expérience est un excellent exemple de quelque chose qui est conceptuellement assez simple, mais très difficile dans la pratique. Il est relativement facile de mesurer la résistance électrique de quelque chose, mais mesurer la conductivité thermique d’un échantillon est beaucoup plus difficile. »

La première partie de l’expérience a demandé aux chercheurs de sélectionner un échantillon de chlorure de ruthénium présentant plusieurs caractéristiques spécifiques, notamment une structure cristalline très fine avec une forme hexagonale distincte. Ils ont ensuite attaché des thermomètres sensibles pour mesurer les gradients de température.

« Tout ce que nous faisons vraiment, c’est mesurer de très petits gradients de température sur un cristal », a déclaré Czajka. « Mais pour ce faire, nous avons besoin d’une résolution d’un millième à un millionième de degré, quelque chose entre cette échelle. »

Les chercheurs ont refroidi le matériau à des températures inférieures ou égales à un Kelvin et ont soumis l’échantillon à un champ magnétique puissant, appliqué parallèlement au courant thermique. Ils ont ensuite utilisé un radiateur électrique pour réchauffer un bord du cristal et mesuré les gradients de température. L’expérience – des mesures de gradients de température – a nécessité, étonnamment, une période de plusieurs mois.

« L’échantillon était froid pendant environ six mois », a déclaré Czajka, « et pendant ce temps, nous avons soigneusement cartographié la température et la dépendance au champ. C’était sans précédent car la plupart des chercheurs ne sont pas disposés à consacrer six mois à une seule expérience. »

La première chose que les chercheurs ont remarquée, dans une découverte parallèle à celle de Matsuda, a été la présence de l’effet Hall thermique. Les chercheurs l’ont reconnu lorsque les thermomètres ont détecté que le flux du courant thermique était dévié d’un côté ou de l’autre en fonction du champ magnétique.

Pour expliquer cela, Ong a utilisé l’analogie d’un radeau descendant, le courant de la rivière symbolisant le courant thermique et le radeau symbolisant un paquet d’entropie thermique. « Bien que vous suiviez le courant de la rivière, vous constatez que votre radeau est poussé d’un côté de la rivière, disons la rive gauche. Et tous les radeaux qui vous suivent sont également poussés vers la rive gauche », a-t-il déclaré. a dit. Cela entraîne une légère augmentation de la température de la rive gauche.

Le signal est également sensible à la direction du champ magnétique, a déclaré Ong. « Si vous répétez l’expérience avec le champ magnétique inversé en direction, vous trouverez tous les radeaux, qui descendent encore, s’accumulant sur la rive droite. »

Dans la grande majorité des isolateurs, cet effet ne se produit pas. « Les radeaux ne s’accumuleront ni du côté gauche ni du côté droit; ils couleront simplement le long de la rivière », a déclaré Ong.

Mais dans ces nouveaux matériaux topologiques, l’effet est saisissant. Et la raison en est à cause d’un phénomène connu sous le nom de courbure de Berry.

En principe, tous les matériaux cristallins affichent un champ de force interne appelé la courbure de Berry, du nom de Michael Berry, un physicien mathématicien de l’Université de Bristol. La courbure de Berry décrit comment les fonctions d’onde se tordent et tournent dans l’espace parcouru par l’élan. Dans les matériaux magnétiques et topologiques, la courbure de Berry est finie. Il agit sur les particules chargées, telles que les électrons, ainsi que sur les particules neutres, telles que les phonons et les spins, un peu comme un champ magnétique intense.

« La courbure de Berry est un concept qui manquait au cours des soixante dernières années, mais qui est maintenant venu au premier plan au cours des cinq dernières années environ », a déclaré Ong. « C’est la courbure de Berry que nous avons prouvée dans cet article qui est en fait la cause de l’observation expérimentale de Matsuda. »

Tout aussi important, les chercheurs de Princeton n’ont pas été en mesure de confirmer la présence du fermion de Majorana, comme prévu à l’origine dans l’expérience de Matsuda. Les chercheurs ont plutôt attribué l’effet Hall thermique à un autre type de particule, un boson.

Toutes les particules dans la nature sont soit des fermions, soit des bosons. Les électrons sont des fermions, tandis que les particules telles que les photons, les phonons et les gluons sont des bosons. Les bosons proviennent des excitations collectives ondulatoires des moments magnétiques à champ magnétique élevé. Les deux types de particules peuvent donner naissance à l’effet Hall thermique si les matériaux utilisés sont de nature topologique.

« Dans notre étude, nous démontrons de manière assez convaincante que les particules observées sont des bosons plutôt que des fermions », a déclaré Ong. « Si le groupe de Kyoto avait été correct – si les particules étaient identifiées comme des fermions – le signal serait indépendant de la température. Mais le signal est, en fait, fortement dépendant de la température, et sa dépendance à la température correspond très précisément à un modèle quantitatif de topologie. excitations bosoniques. »

« Notre expérience est le premier exemple de ce qu’on appelle un matériau bosonique affichant un transport de bord quantique », a ajouté Ong.

Implications et recherches futures

Ong et son équipe pensent que leurs recherches ont des implications solides pour la recherche fondamentale en physique.

« Ce que notre expérience a accompli – en clarifiant la présence de bosons plutôt que de fermions – est d’ouvrir la porte à l’utilisation de l’effet Hall thermique de la même manière que l’effet Hall quantique a été utilisé pour découvrir de nombreux nouveaux états quantiques », a déclaré Ong.

Ong a également déclaré que les particules découvertes dans des expériences comme celle-ci pourraient avoir des applications pratiques pour des choses telles que l’informatique quantique topologique ou les dispositifs quantiques, bien que la réalisation de telles percées soit probablement dans vingt ans ou plus. Ong et les membres de son laboratoire de recherche ont l’intention de poursuivre leurs recherches en recherchant des effets Hall bosoniques similaires dans des matériaux apparentés, et d’étudier les possibilités quantiques du chlorure de ruthénium de manière encore plus détaillée. Les expériences ont été réalisées en collaboration avec des scientifiques des laboratoires nationaux d’Oak Ridge, de l’Université du Tennessee, de l’Université de Tokyo et de l’Université Purdue.