Les niveaux zéro chiraux de Landau sont des états de masse topologiquement protégés qui se propagent dans une seule direction. Dans le domaine de la théorie quantique des champs et de la physique de la matière condensée, ces niveaux sont cruciaux pour briser la symétrie chirale et déclencher l’anomalie chirale, qui implique la non-conservation des courants chiraux dans les systèmes de physique des particules et de matière condensée.
Cependant, les approches précédentes pour réaliser les niveaux chiraux de Landau reposaient sur des dégénérescences de Weyl 3D et des champs magnétiques de fond, ce qui pose des défis pour la fabrication d’échantillons et limite les applications pratiques.
Dans une publication récente dans Lumière : science et applications, le professeur CT Chan du Département de physique de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong, Hong Kong, Chine, ainsi qu’une équipe de scientifiques, ont introduit une nouvelle approche. En brisant la symétrie d’inversion de parité locale dans chaque cellule unitaire, ils ont conçu un système photonique à cône de Dirac 2D avec une masse effective inhomogène.
Cette masse effective inhomogène a créé un champ de jauge synthétique dans une direction virtuelle, qui a interagi avec la dégénérescence de Dirac. Grâce à leurs travaux, ils ont réussi à étendre les niveaux chiraux de Landau des systèmes 3D aux systèmes 2D et à valider expérimentalement leur nature propagative à sens unique.
De plus, ils ont introduit des défauts dans le système et mené des expériences pour tester la robustesse des niveaux chiraux de Landau zéro contre la rétrodiffusion. Ces résultats simplifient considérablement la fabrication des échantillons et offrent un potentiel d’applications dans la conception optique unidirectionnelle.
Contrairement aux états de surface topologiquement protégés, les états en vrac offrent une plus grande accessibilité pour une utilisation dans les dispositifs de communication. Cela est dû au confinement de l’énergie dans le système pour les états de masse, alors que les états de bord ont une énergie principalement localisée près de la frontière du système, ce qui les rend plus sujets aux fuites. Les scientifiques qui ont mené la recherche ont résumé la physique sous-jacente, les propriétés exceptionnelles et les applications potentielles de ces états massifs :
« Notre objectif est d’étendre le concept de niveaux de Landau zéro chiraux des systèmes de Weyl 3D aux systèmes de cône de Dirac 2D. Pour y parvenir, nous reconnaissons qu’un système de cône de Dirac 2D peut être considéré comme un sous-système d’un système de Weyl 3D en introduisant un système virtuel direction représentée par la masse effective du cône de Dirac », ont-ils déclaré.
« En rendant la masse effective inhomogène, nous pouvons redéfinir l’impulsion dans cette direction virtuelle comme une impulsion canonique virtuelle. Par conséquent, cela donne lieu à un champ magnétique synthétique sur le plan 2D, qui interagit avec le cône de Dirac et conduit à la formation de niveaux de Landau chiraux dans le plan. »
« En raison du fait qu’un seul cône de Dirac ne supporte qu’un seul niveau de Landau zéro chiral, la transition de diffusion d’un mode zéro à propagation positive à un mode à propagation négative est comparable à une diffusion intermittente. Cependant, ce processus pose des défis importants car les deux vallées sont largement séparés dans l’espace des impulsions, ce qui rend de telles transitions très difficiles à produire », ont-ils ajouté.
« La robustesse inhérente du mode de masse zéro chiral contre la rétrodiffusion des défauts est le facteur clé de ses propriétés exceptionnelles. Cette caractéristique le rend parfaitement adapté aux applications de conception de guides d’ondes optiques unidirectionnels. En réduisant la taille de l’échantillon de millimètres à nanomètres, il devient applicable dans la gamme de fréquences optiques. Cela ouvre des opportunités pour son utilisation généralisée dans les appareils de communication, minimisant efficacement les fuites d’énergie. L’énergie confinée dans la masse permet une gestion efficace du transport de l’information, améliorant encore son accessibilité », expliquent les scientifiques.
Plus d’information:
Hongwei Jia et al, Réalisation expérimentale de niveaux de Landau chiraux dans des systèmes de cônes de Dirac bidimensionnels avec une masse effective inhomogène, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-023-01209-z