Les propriétés topologiques particulières de certaines formes de matière sont étudiées depuis des décennies. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) ont découvert les propriétés topologiques de molécules diatomiques simples entraînées en rotation par des impulsions laser.
Les scientifiques appliquent des mathématiques similaires pour les décrire comme pour les systèmes de matière solide, reliant ainsi deux domaines différents de la physique. Leurs découvertes promettent des applications possibles en chimie.
Parfois, des liens imprévus entre des domaines de recherche disparates en physique peuvent émerger. C’est le cas des propriétés topologiques des états quantiques dans les molécules en rotation.
Dans une nouvelle étude, Ph.D. l’étudiant Volker Karle, le postdoc Areg Ghazaryan et le professeur Mikhail Lemeshko de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), ont maintenant révélé qu’une simple molécule en rotation composée de seulement deux atomes peut présenter des états quantiques avec des propriétés topologiques, similaires à ce qui se passe dans graphène et autres matériaux topologiques à l’état solide.
« Ce qui est intéressant, c’est que ces deux systèmes – une seule molécule en rotation et une feuille solide de graphène composée de millions d’atomes de carbone – sont très différents et pourtant, certaines de leurs propriétés peuvent être décrites par des mathématiques similaires », explique Karle. « Nous construisons un pont entre les domaines de la chimie physique et de la physique du solide. »
Les trois chercheurs ont publié leurs nouvelles découvertes dans la revue Lettres d’examen physique.
Un beignet reste un beignet
« La topologie est l’étude des propriétés géométriques d’un objet qui ne sont pas affectées par le changement continu de sa forme et de sa taille. Réaliser que l’on peut classer les états quantiques non seulement par leur énergie et leur symétrie mais aussi par leur topologie a conduit à une véritable percée dans notre compréhension de la physique du solide au cours des dernières décennies », explique Lemeshko.
« Un exemple simple de propriété topologique serait un beignet. D’un point de vue mathématique, un beignet n’est qu’un anneau avec un trou », ajoute Karle. « Peu importe comment vous l’étirez ou le pressez, il reste un beignet tant que vous ne faites rien d’aussi drastique que d’ajouter ou de supprimer un trou. La propriété d’être un beignet est donc topologiquement protégée des ‘petites’ perturbations comme changer sa forme ou la taille. »
Dans des systèmes comme les isolants topologiques, ces effets topologiques émergent des effets de millions d’atomes interagissant les uns avec les autres. Cependant, Karle, Ghazaryan et Lemeshko ont montré que ce type de phénomène peut également être trouvé dans des systèmes beaucoup plus simples comme une seule molécule.
Pousser une molécule avec une lumière laser
« Le système que nous étudions est une seule molécule formée de deux atomes liés ensemble », explique Karle. Les chercheurs ont créé un modèle qui décrit ce qui se passe dans une telle molécule poussée par de courtes impulsions laser pour la faire tourner autour du point médian entre les deux atomes. « A la bonne longueur d’onde et au bon moment des impulsions laser, nous pouvons créer des états quantiques topologiquement non triviaux dans la molécule qui se comportent comme ceux que l’on trouve dans les systèmes à l’état solide. »
Depuis des décennies, les scientifiques ont étudié les propriétés topologiques de nombreux matériaux et systèmes différents, ce qui a même conduit à un prix Nobel en 2016. Cependant, les trouver dans un système comme une simple molécule permet de nouveaux types d’expériences et d’applications.
« Nous envisageons une expérience dans laquelle un flux de telles molécules est projeté à partir d’une source, puis frappé par des impulsions laser », explique Karle. « Ils volent ensuite dans un détecteur où nous pouvons étudier leurs états quantiques de manière beaucoup plus détaillée que ce qui est possible avec les systèmes à semi-conducteurs. » Les chercheurs espèrent acquérir beaucoup plus d’informations grâce à de futures expériences, jetant peut-être les bases de nouvelles applications en chimie.
Maîtriser la réactivité
Des propriétés topologiques non triviales, comme celles décrites dans cette nouvelle publication, pourraient conduire à des états quantiques topologiquement protégés. Ceux-ci sont particulièrement intéressants pour toute application qui doit être résistante aux perturbations extérieures telles que la chaleur, les champs magnétiques ou les impuretés des matériaux. Un exemple bien connu qui a suscité beaucoup d’intérêt dans la recherche au cours des dernières années est celui des ordinateurs quantiques basés sur des bits quantiques topologiques.
Cependant, les molécules que Karle et ses collègues étudient trouveraient des applications différentes. « Nous espérons que cette recherche nous permettra de mieux comprendre de nombreuses réactions chimiques et pourra un jour conduire à de nouvelles façons de les contrôler », a déclaré Lemeshko. « Nous pourrions utiliser des lasers pour créer des états quantiques topologiquement protégés dans des molécules qui augmentent ou diminuent leur réactivité avec d’autres produits chimiques juste comme nous en avons besoin. La protection topologique stabiliserait l’état quantique de la molécule qui autrement disparaîtrait rapidement. »
Plus d’information:
Volker Karle et al, Charges topologiques des molécules frappées périodiquement, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.103202