Découverte du monopôle orbital dans les cristaux chiraux topologiques

Une équipe internationale de scientifiques, dont Maia Vergniory, professeure à au Département de physique et membre de l'Institut quantique, a confirmé l’existence des monopôles orbitaux dans des cristaux chiraux topologiques. Cette découverte, publiée dans Nature Physics, ouvre des perspectives prometteuses pour l’exploitation du moment cinétique orbital des électrons, un phénomène au cœur d’un domaine émergent de la physique quantique : l’orbitronique.

L'essor des technologies modernes s'accompagne d'une consommation énergétique massive et en constante augmentation. Alors que nous cherchons à miniaturiser et à maximiser la puissance de nos appareils, une question cruciale se pose : comment améliorer leur efficacité énergétique? Une réponse novatrice pourrait justement résider dans l’orbitronique.

De l’électronique à l’orbitronique

Depuis des décennies, l’électronique repose sur la charge de l’électron pour traiter et stocker l’information. La physique quantique nous offre cependant d’autres avenues : parmi elles, l’utilisation du spin de l’électron – équivalent classique de la rotation de l’électron sur lui-même – a donné naissance à la spintronique. Une autre possibilité émerge avec le moment cinétique orbital – l’équivalent de la rotation de l’électron autour du noyau – qui nous fournit une troisième option : l’orbitronique.

Le moment cinétique orbital offre des avantages uniques : il permettrait une transmission de l’information avec des pertes énergétiques minimales, réduisant ainsi la dissipation thermique, un défi majeur des technologies actuelles. Cependant, exploiter cette propriété dans des dispositifs concrets nécessite un type de matériaux spécifique capable de préserver et de contrôler ces états orbitaux. La quête de tels matériaux a conduit les chercheurs à explorer les cristaux chiraux topologiques.

Des cristaux aux propriétés uniques

Les cristaux chiraux topologiques combinent leur chiralité – une asymétrie comparable à celle entre la main droite et la main gauche – et leur topologie – l’étude des propriétés invariantes même lorsqu’un objet est déformé – pour créer des états électroniques robustes et uniques. Ces cristaux possèdent une structure spiralée unique, idéale pour manipuler le moment cinétique orbital des électrons. Autre particularité des cristaux chiraux topologiques, ils présentent un état théorique appelé monopôle orbital, où le moment cinétique orbital des électrons est parfaitement symétrique dans toutes les directions. Cette propriété pourrait révolutionner la transmission d’information en rendant possible une communication dans toutes les directions. Jusqu’à présent, ce monopôle n’existait que dans les prédictions théoriques.

C’est ici qu’interviennent les travaux de la professeure Vergniory et de ses collaborateurs. Leur objectif : passer de la théorie à la preuve expérimentale.

Dénicher le monopôle

Les chercheurs ont étudié deux cristaux chiraux topologiques : le PtGa et le PdGa. En utilisant la spectroscopie photoélectronique résolue en angle (ARPES), et en intégrant une polarisation circulaire de la lumière, ils ont étudié l’interaction des photons avec les électrons de ces cristaux. En modifiant soigneusement l’énergie des photons, ils ont observé un phénomène remarquable : le signal mesuré semblait “tourner” autour des monopôles orbitaux, confirmant ainsi leur existence.

L’équipe a non seulement visualisé les monopôles de moment cinétique orbital, mais a aussi montré que leur polarité pouvait être inversée en utilisant un cristal de chiralité opposée. Cette découverte est cruciale pour développer des dispositifs orbitroniques capables de transmettre l’information dans des directions spécifiques.

Ces travaux unifient la théorie et l’expérience, ouvrant ainsi des perspectives pour explorer davantage les propriétés uniques de ces matériaux. Cette avancée méthodologique donne également de nouveaux outils à la communauté scientifique et pourrait inspirer de futures découvertes, enrichissant notre compréhension des matériaux quantiques et leurs possibles applications.