Il est souvent souhaitable de limiter les flux – qu’ils soient de son, d’électricité ou de chaleur – à une seule direction, mais les systèmes naturels ne le permettent presque jamais. Cependant, un flux unidirectionnel peut en effet être conçu dans certaines conditions, et les systèmes résultants sont censés présenter un comportement chiral.
Le concept de chiralité est traditionnellement limité aux flux à sens unique dans une dimension. En 2021, cependant, des chercheurs travaillant avec Taylor Hughes, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont introduit une extension théorique qui peut rendre compte de flux chiraux plus complexes en deux dimensions.
Maintenant, une équipe dirigée par Hughes et Gaurav Bahl, professeur UIUC de science mécanique et d’ingénierie, a réalisé expérimentalement cette extension. Comme les chercheurs l’ont rapporté dans Communication Natureils ont construit un réseau de circuits topologiques, un système électronique qui simule le comportement microscopique des matériaux quantiques, pour explorer les comportements entièrement nouveaux prédits par cette chiralité étendue ou de rang supérieur.
« En effet, nous avons généralisé l’idée d’une rue à sens unique en deux dimensions », a déclaré Hughes. « En deux dimensions, il n’y a pas de sens absolu de quelque chose qui va dans un sens ou dans l’autre, mais si vous transportez une flèche fixe avec vous, vous pouvez toujours décrire le mouvement chiral par rapport à cette flèche. »
En effet, la chiralité de rang supérieur se manifeste par un verrouillage entre la direction d’écoulement d’une particule et la direction d’une flèche, ou quantité vectorielle, qu’elle entraîne avec elle. Pour cette étude, l’équipe s’est concentrée sur la chiralité de rang 2 où le flux est verrouillé pour être transversal au vecteur d’impulsion porté par les particules.
Penghao Zhu, auteur principal de l’étude et étudiant diplômé en physique de l’UIUC, a expliqué : « Dans la chiralité standard, les flux ne peuvent aller que dans un sens, disons vers la droite. Cependant, un système de rang 2 est conçu de sorte que si l’impulsion d’une particule est vers le haut, alors il coule vers la droite, et si l’élan pointe vers le bas, alors il coule vers la gauche. »
Dans l’étude de 2021, le groupe de Hughes a proposé un système de matériau quantique pour la chiralité de rang 2, mais leur équipe interdisciplinaire a réalisé qu’elle pouvait explorer les comportements de ce système avec un réseau de circuits topologiques à la place. Sur cette plate-forme, la chiralité est une conséquence de la dissipation ou de la friction microscopique, appelée non-hermiticité, qui a été conçue pour n’impacter que les flux dans des directions particulières, de sorte que les flux indésirables meurent rapidement, ne laissant que le flux dans la direction souhaitée.
Zhu et le boursier postdoctoral Xiao-Qi Sun ont conçu un réseau de circuits qui présente la non-hermiticité nécessaire, et ils ont collaboré avec Bahl pour construire ce « méta » matériau et effectuer des mesures expérimentales. Selon Zhu, le matériau présentait une signature importante des systèmes chiraux : l’effet de peau non hermitien, où l’unidirectionnalité imposée fait que le flux s’accumule à la frontière du système.
« De plus, notre expérience montre de nouveaux phénomènes qui n’ont pas été explorés auparavant, comme la localisation des coins, où les flux s’accumulent aux coins matériels », a-t-il déclaré. « C’est quelque chose de très spécial pour la chiralité de rang 2 et ne peut être vu dans aucun effet de peau qui a été précédemment démontré. »
Les généralisations offertes par la chiralité de rang supérieur suggèrent une nouvelle classe de dispositifs qui pourraient être utilisés pour filtrer les flux et concevoir des faisceaux optiques. Sun imagine un dispositif qui sépare les photons, ou particules de lumière, en fonction de la direction dans laquelle ils se déplacent : si seuls les photons se déplaçant vers la droite sont souhaités, alors un matériau chiral de rang 2 pourrait éliminer les photons se propageant vers la gauche en les forçant dans un autre sens. direction à écarter.
« Une autre cartographie utile de cette idée pourrait être faite pour les dispositifs électroniques à semi-conducteurs, où des opérations de filtrage nouvelles et uniques peuvent être accomplies avec des électrons », a déclaré Bahl. « Presque tous les appareils de calcul et de communication électroniques que nous utilisons aujourd’hui reposent sur le contrôle du flux d’électrons. Si nous sommes capables de reproduire ce comportement chiral de rang supérieur en microélectronique, un comportement auquel nous n’avons jamais eu accès auparavant, il pourrait conduire à de nouvelles applications transformatrices. »
Sun a ajouté que la véritable récompense de l’étude des systèmes de rang supérieur est une compréhension plus profonde de ce qui est possible.
« En concevant et en construisant des systèmes qui étendent notre compréhension, nous faisons le premier pas vers un univers beaucoup plus généralisé », a-t-il déclaré.
Plus d’information:
Penghao Zhu et al, Chiralité de rang supérieur et effet de peau non hermitien dans un circuit topoélectrique, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-36130-x