Les scientifiques observent un nouveau type d’émission de lumière lorsque les électrons dans les isolants topologiques inversent brusquement la direction de leur mouvement. Crédit : © Brad Baxley (parttohole.com)
Les scientifiques observent un nouveau type d’émission de lumière lorsque les électrons dans les isolants topologiques inversent brusquement la direction de leur mouvement. Les nouvelles découvertes sont publiées dans la revue “Nature”.
Pour changer la direction du mouvement d’un objet massif, comme une voiture, il doit d’abord être ralenti et arrêté complètement. Même les plus petits porteurs de charge de l’univers, les électrons, suivent cette règle. Pour les futurs composants électroniques ultrarapides, il serait cependant utile de contourner l’inertie de l’électron. Les photons, les quanta de lumière, montrent comment cela pourrait fonctionner. Les photons ne transportent pas de masse et peuvent donc se déplacer à la vitesse la plus élevée possible, la vitesse de la lumière. Pour un changement de direction, ils n’ont pas besoin de ralentir ; lorsqu’elles sont réfléchies par un miroir, par exemple, elles changent brusquement de direction sans s’arrêter. Un tel comportement est hautement souhaitable pour l’électronique future car la direction des courants pourrait être commutée à l’infini et la fréquence d’horloge des processeurs pourrait être massivement augmentée. Pourtant, les photons ne portent pas de charge électrique, ce qui est une condition préalable aux appareils électroniques.
Un consortium international de physiciens de l’Université de Ratisbonne, de l’Université de Marbourg et de l’Académie des sciences de Russie à Novossibirsk a réussi à inverser le mouvement des électrons sur des échelles de temps ultrarapides sans les ralentir. Dans leur étude, ils ont utilisé la nouvelle classe de matériaux des isolants topologiques. À leur surface, les électrons se comportent comme des particules sans masse se déplaçant presque comme la lumière. Pour changer la direction du mouvement de ces électrons aussi rapidement que possible, les chercheurs ont accéléré les électrons avec le champ porteur oscillant de la lumière – le champ alternatif le plus rapide dans la nature contrôlable par l’humanité.
Lorsque les électrons inversent brusquement leur direction de mouvement, ils émettent un flash de lumière ultracourt contenant un large spectre de couleurs comme dans un arc-en-ciel. Il existe des règles strictes sur les couleurs émises : Généralement, lorsque les électrons sont accélérés par des ondes lumineuses, seul un rayonnement est émis, dont la fréquence d’oscillation est un multiple entier de la fréquence de la lumière incidente, ce qu’on appelle le rayonnement harmonique d’ordre supérieur. « En ajustant soigneusement le champ lumineux d’accélération, nous avons pu enfreindre cette règle. Nous avons réussi à contrôler le mouvement des électrons de manière à générer de la lumière de toutes les couleurs imaginables », explique Christoph Schmid, premier auteur de l’étude.
Dans une analyse minutieuse du rayonnement émis, les scientifiques ont découvert d’autres propriétés quantiques inhabituelles des électrons. Il est devenu évident que les électrons à la surface d’un isolant topologique ne se déplacent pas en ligne droite suivant le champ électrique de la lumière mais effectuent plutôt des trajectoires sinueuses à travers le solide. “Même pour un théoricien, il est très fascinant de voir quels phénomènes la mécanique quantique peut produire si vous regardez seulement d’un peu plus près”, explique le Dr Jan Wilhelm, qui a expliqué avec succès les découvertes expérimentales avec une simulation qu’il a développée avec ses collègues du Institut de physique théorique de l’Université de Ratisbonne.
« Ces résultats ne fournissent pas seulement des informations intrigantes sur la nature quantique microscopique des électrons ; ils suggèrent également que les isolants topologiques constituent une classe de matériaux prometteuse pour l’électronique et le traitement de l’information futurs », résume le professeur Rupert Huber, qui a dirigé les travaux expérimentaux à Ratisbonne. De telles attentes correspondent parfaitement à l’énoncé de mission du Centre de recherche collaboratif SFB 1277, financé par la Fondation allemande pour la science. Au sein de ce réseau, des physiciens expérimentaux et théoriques explorent de nouveaux effets relativistes dans la matière condensée et testent les possibilités de mettre en œuvre leurs découvertes dans de futures applications de haute technologie.
Référence : “Tunable non-integer high-harmonic generation in a topological insulator” par CP Schmid, L. Weigl, P. Grössing, V. Junk, C. Gorini, S. Schlauderer, S. Ito, M. Meierhofer, N. Hofmann, D. Afanasiev, J. Crewse, KA Kokh, OE Tereshchenko, J. Güdde, F. Evers, J. Wilhelm, K. Richter, U. Höfer et R. Huber, 19 mai 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03466-7
