Le cocktail du succès a été secoué

Le graphène est considéré comme le matériau miracle du futur. Composé d'une couche d'atomes de carbone disposés en un réseau en nid d'abeille, ce matériau est extrêmement stable, élastique, conducteur et particulièrement intéressant pour les applications électroniques. Le professeur de l'ETH Tilman Esslinger et son groupe à l'Institut d'électronique quantique étudient le graphène artificiel. Sa structure en nid d'abeille n'est pas constituée d'atomes, mais de lumière. Pour ce faire, les chercheurs orientent plusieurs faisceaux laser de manière à ce que des ondes stationnaires se forment et s'additionnent pour former des hexagones. Ce réseau optique est placé sur des atomes de potassium qui ont été refroidis dans une chambre à vide à des températures proches du zéro absolu. Prisonniers de la structure hexagonale, les atomes de potassium se comportent comme les électrons dans le graphène.

"Nous travaillons avec des atomes dans des faisceaux laser, car nous avons ainsi un système qui peut être mieux contr?lé et plus facilement observé que le matériau lui-même", explique Gregor Jotzu, doctorant en physique. Comme il s'agit avant tout pour les chercheurs de reproduire les interactions de la mécanique quantique, ils qualifient également leur système de simulateur quantique.

A l'aide de ce dispositif de test, ils ont maintenant réussi à réaliser une idée que le physicien britannique Duncan Haldane avait publiée en 1988. Les physiciens de l'état solide avaient espéré pouvoir réaliser le modèle de Haldane avec du graphène réel - en vain jusqu'à présent, explique Tilman Esslinger : "Nous y sommes maintenant parvenus avec un autre système. C'est une très belle et aussi une nouvelle étape".

Rompre la symétrie temporelle

Haldane avait suggéré qu'il pourrait exister une nouvelle classe de matériaux aux propriétés inhabituelles, déterminées par leur soi-disant topologie. D'un point de vue mathématique, les objets ont la même topologie si on peut les transformer l'un en l'autre par une déformation continue comme la compression ou la traction, comme cela serait possible pour une orange et une banane. Si la transformation nécessite une coupe, les objets sont topologiquement différents. Ainsi, une boucle de M?bius ne peut pas être transformée en une bande normale sans la couper et la réassembler.

Dans le modèle de Haldane, le système considéré n'a plus la même topologie que dans les matériaux ordinaires. Pour réaliser ce système, il faut un "ingrédient" particulier, les physiciens parlent alors de rupture de symétrie : le retournement temporel se brise. Cela signifie que le système ne se comporte pas de la même manière lorsqu'on laisse le temps s'écouler à l'envers.

Normalement, un système physique a le même aspect, que l'on fasse avancer ou reculer le temps. Cela signifie que cette rupture de symétrie ne se produit pas. En théorie, elle pourrait toutefois être réalisée dans le matériau réel avec des champs magnétiques. Toutefois, les aimants devraient être plus petits que la distance entre les atomes dans un corps solide, soit environ 0,1 nanomètre. Ils devraient donc être placés avec une extrême précision.

"Les particules vivent un monde tordu"

Dans le simulateur quantique, les chercheurs peuvent toutefois briser l'inversion du temps avec une astuce relativement simple, comme ils le rapportent maintenant dans la revue spécialisée Nature. "Nous secouons tout le système en cercle", explique Jotzu. Pour ce faire, les chercheurs placent de petits cristaux piézoélectriques sur des miroirs qui réfléchissent la lumière laser. Ils font ensuite vibrer les cristaux piézoélectriques. "Cela s'entend comme un son de fl?te aigu", explique le physicien. ? la bonne fréquence et à la bonne intensité, les atomes ne tombent pas du réseau laser, comme on pourrait s'y attendre, mais restent prisonniers.

Si les chercheurs ne font que déplacer le système d'avant en arrière sur une ligne, les atomes continuent à se comporter normalement. Mais en les secouant en cercle, cela se produit : "Les particules font l'expérience d'un monde tordu", explique Esslinger, tout comme le fait de se déplacer sur une boucle de M?bius serait différent de celui de se déplacer sur une bande normale. La topologie et donc les propriétés du système ont changé, comme s'il s'agissait d'un matériau totalement différent et nouveau.

Tester ce qui n'existe pas encore

Le fait qu'ils aient pu réaliser expérimentalement le modèle topologique de Haldane les a surpris, explique le professeur de l'ETH. L'essai était "un peu tiré par les cheveux". Les chercheurs ont donc fêté leur succès avec la boisson adéquate - secouée. Mais Esslinger met en garde contre les conclusions h?tives : "Nous ne fabriquons pas nous-mêmes de nouveaux matériaux, nous ne faisons que tester des concepts", alors que les expériences avec des lasers et des atomes ultrafroids sont supérieures aux simulations informatiques lorsqu'un système est trop complexe pour être calculé. "Cela nous permet d'étudier les propriétés de matériaux qui n'existent pas encore", explique Gregor Jotzu.

On ne sait pas encore si le résultat obtenu maintenant dans le simulateur quantique pourra un jour être appliqué à un matériau réel. Mais des idées existent déjà : si l'on envoyait de la lumière polarisée en cercle sur du vrai graphène, cela pourrait avoir un effet similaire à celui que l'on obtient en secouant du graphène artificiel en cercle. Deux collègues japonais ont fait cette proposition lors de leur visite à l'ETH, raconte Esslinger. Il pourrait ainsi être possible à l'avenir, par exemple, de transformer un matériau conducteur en isolant et inversement, gr?ce à un contr?le de la lumière. Les applications électroniques d'un tel système, qui pourrait réagir particulièrement rapidement, seraient extrêmement variées.

Les travaux de l'Institut d'électronique quantique ont été réalisés dans le cadre du groupement de recherche Quantum Science and Technology (QSIT). Outre l'ETH Zurich, des groupes des universités de B?le, Lausanne, Genève et IBM Research participent au QSIT.