Sur la trace des points de Weyl : publication des physiciens de Kaiserslautern en tant que « suggestion d'éditeur » publiée

Point de Weyl expérimentalement démontré par le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier. On peut clairement voir comment les deux bandes se touchent. (Source : C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Grâce à la microscopie électronique à champ de champ de pixels, la structure chirale, en forme de pile de bois, des cristaux photoniques est visible, que les chercheurs ont fabriquée à l'aide de la polymérisation à deux photons et qu'ils ont utilisée pour leurs études. (Source : C. Jörg)

Un matériau qui conduit et isole – existe-t-il ? Oui, des chercheurs ont pour la première fois décrit en 2005 ce que l’on appelle des isolateurs topologiques, qui empêchent la circulation du courant à l’intérieur, mais sont extrêmement conducteurs à la surface. Les états qui mènent aux défauts dans les solides tridimensionnels sont à leur tour suspendus à ce que l’on appelle des points de Weyl. Une équipe de scientifiques de l’Université d’État de Pennsylvanie (PSU) et de la TU Kaiserslautern (TUK) a récemment réussi pour la première fois à rendre ces points visibles à l’aide de lumière infrarouge. La revue spécialisée Physical Review Letters a publié leur publication associée en tant que « suggestion des éditeurs ».

En réalité, la physicienne de Kaiserslautern, Dr. Christina Jörg, aurait souhaité commencer son poste de postdoctorante en personne à l’Université d’État de Pennsylvanie en mars. Mais la COVID-19 a freiné la boursière Humboldt. À la place, elle a eu la possibilité de commencer son postdoctorat en « télétravail » et de réaliser ses expériences à la TUK dans le groupe de travail « Technologies optiques et photonique » du Prof. Dr. Georg von Freymann. Un coup de chance, comme il s’est avéré rapidement. « Je poursuis la recherche déjà entamée par mes collègues aux États-Unis, en caractérisant les états de surface et, par conséquent, les points de Weyl optiques dans des cristaux photonique topologiques », explique la physicienne. « En raison de la situation pandémique aux États-Unis, le travail en laboratoire à l’Université d’État de Pennsylvanie est limité. À Kaiserslautern, j’ai cependant un accès complet aux appareils et techniques de mesure nécessaires. »

Ce qui caractérise les isolateurs topologiques, décrit Jörg à travers un exemple : « Dans les composants électroniques ou optiques, lorsqu’on conduit du courant ou de la lumière, il se passe exactement ce que nous connaissons lorsque nous allumons les phares dans le brouillard : la lumière est dispersée ou les particules de lumière rebondissent sur les gouttes de brouillard et sont renvoyées. Transposé au composant, cela signifie que le signal à conduire ne passe pas sans perte et s’affaiblit sur son chemin. »

Dans le cas des isolateurs topologiques, la situation est différente. Ici, les signaux peuvent circuler sans perte le long de la surface en contournant les défauts internes. « Les états particuliers qui permettent cette déviation sont toujours suspendus à des points très précis dans la structure de bande – la carte routière qui décrit comment les signaux peuvent circuler – », explique Jörg. « Il s’agit d’endroits où deux bandes se touchent. Ces endroits s’appellent des points de Weyl. Les points de Weyl topologiques sont extrêmement robustes et insensibles aux influences extérieures. Dans les matériaux optiques, les points de Weyl n’étaient jusqu’à présent que difficilement accessibles expérimentalement, car pour les observer librement, il faut un contraste matériel aussi élevé que possible. »

L’équipe a donc utilisé une imprimante 3D spéciale pour fabriquer des cristaux photonique adaptés à la recherche, d’une taille totale d’un millimètre carré. Pour la première fois, ils ont pu détecter des points de Weyl optiques quadratiques à l’aide d’ondes lumineuses infrarouges. Une étape importante : « Même si nous ne sommes pas encore dans le domaine visible, avec ces découvertes, nous sommes beaucoup plus proches d’une application future », résume Jörg.

La revue spécialisée de renom Physical Review Letters partage également la conviction du potentiel du travail de recherche des physiciens de Kaiserslautern et des États-Unis, et a attribué à l’article une place de choix dans le numéro actuel.

Informations sur la publication originale :
Observation d’un point de Weyl photonique de charge 2 dans l’infrarouge
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, et Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI : 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Questions répondues par :
Dr. Christina Jörg
Tél. : 0631 205-5230
E-mail : cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de