Une étude prétend trancher le débat

Des découvertes publiées dans Nature régler le différend : les phonons peuvent être chiraux. Ce concept fondamental, découvert à l’aide de rayons X circulaires, voit les phonons se tordre comme un tire-bouchon à travers le quartz.

Partout dans la nature, à toutes les échelles, vous pouvez trouver des exemples de chiralité ou de latéralité. Imaginez essayer de manger un sandwich avec deux mains qui ne sont pas des énantiomères – des images miroir non superposables – l’une de l’autre. Considérez les désastres pharmacologiques causés par l’administration du mauvais énantiomère médicamenteux ou, à une échelle subatomique, l’importance du concept de parité en physique des particules. Désormais, grâce à une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI, nous savons que les phonons peuvent également posséder cette propriété.

Un phonon est une quasi-particule qui décrit les excitations vibrationnelles collectives des atomes dans un réseau cristallin ; imaginez-le comme la Riverdance irlandaise des atomes. Les physiciens ont prédit que si les phonons pouvaient démontrer une chiralité, ils pourraient avoir des implications importantes sur les propriétés physiques fondamentales des matériaux. Avec l’essor rapide ces dernières années de la recherche sur les matériaux topologiques qui présentent de curieuses propriétés de surface électroniques et magnétiques, l’intérêt pour les phonons chiraux s’est accru. Pourtant, la preuve expérimentale de leur existence est restée insaisissable.

Ce qui rend les phonons chiraux, ce sont les pas de leur danse. Dans la nouvelle étude, les vibrations atomiques dansent une torsion qui avance comme un tire-bouchon. Ce mouvement en tire-bouchon est l’une des raisons pour lesquelles il y a eu un tel effort pour découvrir le phénomène. Si les phonons peuvent tourner de cette manière, comme la bobine de fil qui forme un solénoïde, ils pourraient peut-être créer un champ magnétique dans un matériau.

Une nouvelle approche du problème

C’est cette possibilité qui a motivé le groupe d’Urs Staub au PSI, qui a dirigé l’étude. « C’est parce que nous sommes à la jonction entre la science des rayons X ultrarapides et la recherche sur les matériaux que nous pourrions aborder le problème sous un angle différent », dit-il. Les chercheurs s’intéressent à la manipulation des modes chiraux des matériaux à l’aide de la lumière chirale, une lumière polarisée circulairement.

C’était en utilisant une telle lumière que les chercheurs pouvaient faire leur preuve. En utilisant le quartz, l’un des minéraux les plus connus dont les atomes (silicium et oxygène) forment une structure chirale, ils ont montré comment la lumière polarisée circulairement se couplait aux phonons chiraux. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique connue sous le nom de diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) à la Diamond Light Source au Royaume-Uni. Cela a été complété par des descriptions théoriques à l’appui de la manière dont le processus créerait et permettrait la détection de phonons chiraux provenant de groupes de l’ETH Zurich (Carl Romao et Nicola Spaldin) et du MPI Dresden (Jeroen van den Brink).

« Cela ne fonctionne généralement pas comme ça en science »

Dans leur expérience, la lumière polarisée circulairement brille sur le quartz. Les photons de lumière possèdent un moment cinétique, qu’ils transfèrent au réseau atomique, lançant les vibrations dans leur mouvement en tire-bouchon. La direction dans laquelle tournent les phonons dépend de la chiralité intrinsèque du cristal de quartz. Lorsque les phonons tournent, ils libèrent de l’énergie sous forme de lumière diffusée, qui peut être détectée.

Imaginez-vous debout sur un rond-point et lançant un Frisbee. Si vous lancez le frisbee avec la même direction de mouvement que le rond-point, vous vous attendez à ce qu’il siffle. Lancez-le dans l’autre sens et il tournera moins, car le moment cinétique du rond-point et du frisbee s’annulera. De la même manière, lorsque la lumière polarisée circulairement se tord de la même manière que le phonon qu’elle excite, le signal est amélioré et des phonons chiraux pourraient être détectés.

Une expérience bien planifiée, des calculs théoriques minutieux, puis quelque chose d’étrange s’est produit : presque tout s’est déroulé comme prévu. Dès qu’ils ont analysé les résultats, la différence de réponse lorsque la chiralité de la lumière s’est inversée était indéniable.

« Les résultats ont été convaincants presque immédiatement, surtout lorsque nous avons comparé la différence avec les autres énantiomères de quartz », se souvient le scientifique du PSI et premier auteur de la publication Hiroki Ueda. Assis devant son ordinateur pour analyser les données, Ueda a été la première personne à voir les résultats : « Je n’arrêtais pas de vérifier mes codes d’analyse pour m’assurer que c’était vrai. » Staub souligne : « Ce n’est pas normal ! Cela ne fonctionne généralement pas comme ça en science ! »

Au cours de la recherche des phonons chiraux, il y a eu plusieurs fausses alertes. Est-ce que cela tranchera le débat ? « Oui, je pense que oui, c’est la beauté de ce travail », estime Staub, dont l’avis était partagé par les critiques de Nature. « Parce que c’est simple, beau et direct. C’est évident. C’est si simple, c’est évident que c’est le mouvement chiral. »