Les physiciens et collègues du MIT ont mesuré pour la première fois la géométrie, ou la forme, des électrons dans les solides au niveau quantique. Les scientifiques savent depuis longtemps comment mesurer les énergies et les vitesses des électrons dans les matériaux cristallins, mais jusqu’à présent, la géométrie quantique de ces systèmes ne pouvait être déduite que théoriquement, voire pas du tout.
Les travaux, rapportés dans le Numéro du 25 novembre de Physique naturelle« ouvre de nouvelles voies pour comprendre et manipuler les propriétés quantiques des matériaux », déclare Riccardo Comin, professeur agrégé de développement de carrière de la promotion 1947 du MIT en physique et responsable des travaux.
« Nous avons essentiellement développé un plan pour obtenir des informations complètement nouvelles qui ne pouvaient pas être obtenues auparavant », explique Comin, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux et au laboratoire de recherche en électronique du MIT.
Les travaux pourraient être appliqués à « n’importe quel type de matériau quantique, pas seulement à celui avec lequel nous avons travaillé », explique Mingu Kang, premier auteur de l’article Nature Physics et chercheur postdoctoral Kavli au Laboratoire de physique atomique et du solide de Cornell. Kang, doctorat du MIT. 2023, a mené les travaux en tant qu’étudiant diplômé au MIT.
Kang a également été invité à rédiger un texte d’accompagnement Briefing de recherche sur le travail, y compris ses implications, pour le numéro du 25 novembre de Physique naturelle.
Un monde bizarre
Dans le monde étrange de la physique quantique, un électron peut être décrit à la fois comme un point dans l’espace et comme une forme ondulatoire. Au cœur des travaux actuels se trouve un objet fondamental appelé fonction d’onde qui décrit cette dernière. « Vous pouvez le considérer comme une surface dans un espace tridimensionnel », explique Comin.
Il existe différents types de fonctions d’onde, allant des plus simples aux plus complexes. Pensez à un ballon. Cela est analogue à une fonction d’onde simple ou triviale. Imaginez maintenant une bande de Mobius, le genre de structure explorée par MC Escher dans son art. C’est analogue à une fonction d’onde complexe ou non triviale. Et le monde quantique est rempli de matériaux composés de ces derniers.
Mais jusqu’à présent, la géométrie quantique des fonctions d’onde ne pouvait être déduite que théoriquement, voire pas du tout. Et cette propriété devient de plus en plus importante à mesure que les physiciens découvrent de plus en plus de matériaux quantiques ayant des applications potentielles dans tous les domaines, des ordinateurs quantiques aux dispositifs électroniques et magnétiques avancés.
L’équipe du MIT a résolu le problème en utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle, ou ARPES. Comin, Kang et certains de leurs collègues avaient utilisé cette technique dans d’autres recherches. Par exemple, en 2022, ils ont rapporté avoir découvert la « sauce secrète » derrière les propriétés exotiques d’un nouveau matériau quantique connu sous le nom de métal kagome. Cet ouvrage est également paru dans Physique naturelle.
Dans les travaux en cours, l’équipe a adapté ARPES pour mesurer la géométrie quantique d’un métal kagome.
Des collaborations étroites
Kang souligne que la nouvelle capacité de mesurer la géométrie quantique des matériaux « vient de l’étroite coopération entre théoriciens et expérimentateurs ».
La pandémie de COVID a également eu un impact. Kang, originaire de Corée du Sud, était basé dans ce pays pendant la pandémie. « Cela a facilité une collaboration avec des théoriciens en Corée du Sud », explique Kang, un expérimentateur.
La pandémie a également créé une opportunité inhabituelle pour Comin. Il s’est rendu en Italie pour participer aux expériences ARPES à la source lumineuse italienne Elettra, un laboratoire national. Le laboratoire a été fermé pendant la pandémie, mais commençait à rouvrir lorsque Comin est arrivé.
Il s’est cependant retrouvé seul lorsque Kang a été testé positif au COVID et n’a pas pu le rejoindre. Il a donc mené lui-même les expériences par inadvertance, avec le soutien de scientifiques locaux.
« En tant que professeur, je dirige des projets, mais les étudiants et les postdoctorants réalisent le travail. Il s’agit donc essentiellement de la dernière étude dans laquelle j’ai réellement contribué aux expériences », dit-il.
Plus d’informations :
Mingu Kang et al, Mesures du tenseur géométrique quantique dans les solides, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02678-8
Géométrie quantique dans les solides mesurée à l’aide d’électrons photoémis, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02681-z