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Démêler les mystères de la topologie : les scientifiques démentent les hypothèses existantes

Démêler les mystères de la topologie : les scientifiques démentent les hypothèses existantes

Un laser intense illumine un matériau topologique, mais il n’est pas clair si la réponse lumière-matière caractéristique contient des informations extractibles sur la topologie du matériau. Crédit : Jörg Harms, MPSD

La topologie est devenue un facteur critique dans le domaine de la physique moderne de la matière condensée et au-delà. Cela explique la manière dont les matériaux solides peuvent posséder deux caractéristiques distinctes et apparemment contradictoires. Un exemple de ceci est les isolants topologiques , des matériaux dont la masse agit comme un isolant et qui peuvent encore conduire l’électricité à leurs surfaces et à leurs bords.

Au cours des dernières décennies, l’idée de topologie a révolutionné la compréhension de la structure électronique et des propriétés globales des matériaux. De plus, il a ouvert les portes aux avancées technologiques en facilitant l’intégration de matériaux topologiques dans les applications électroniques.

Dans le même temps, la topologie est assez délicate à mesurer, nécessitant souvent des combinaisons de plusieurs techniques expérimentales telles que la photoémission et les mesures de transport. Une méthode connue sous le nom de spectroscopie harmonique élevée est récemment apparue comme une technique clé pour observer la topologie d’un matériau. Dans cette approche, un matériau est irradié par une lumière laser intense.

Les interactions entre les électrons du matériau et le laser se traduisent par l’émission d’un spectre optique à large bande – qui contient des indices sur la phase topologique du solide. A l’aide de calculs théoriques, ces indices peuvent être extraits afin de mesurer la topologie du matériau.

Cependant, les théoriciens de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, en Allemagne, rapportent maintenant dans Examen physique X qu’ils n’ont trouvé aucune preuve de signatures topologiques universelles après avoir effectué la première ab initio étude de la génération d’harmoniques élevées à partir d’isolants topologiques.

Se concentrant sur un isolant Hall de spin quantique dans une monocouche d’atomes de bismuth et un isolant Hall anormal quantique dans une seule monocouche de Na3Bi, les chercheurs ont remis en question les hypothèses sous-jacentes de la spectroscopie topologique à haute harmonique : que les informations topologiques sont imprimées sur les spectres émis et peuvent ensuite être extraites.

« Nous avons spécifiquement cherché à éviter les approximations courantes et les modèles simplifiés », explique l’auteur principal Ofer Neufeld. « Dans cette analyse vaste et approfondie, nous n’avons pu identifier aucune signature topologique universelle, laissant entendre qu’il est peu probable que de telles signatures existent. Même si à première vue certaines caractéristiques semblaient fortement corrélées à une propriété topologique, chaque fois que nous avons creusé leur origine, cela n’a jamais été topologique.

Au lieu de cela, les aspects non topologiques du système ont dominé sa réponse, suggérant que la topologie pourrait jouer un rôle plus mineur qu’on ne le pensait auparavant. « Par exemple, un solide peut réagir différemment à une lumière laser polarisée elliptiquement à gauche ou à droite », explique Nicolas Tancogne-Dejean, deuxième auteur de l’article. « Au début, il pourrait sembler que cette réponse typique trouve son origine dans la topologie. Cependant, à y regarder de plus près, cet effet s’avère provenir de la structure cristalline plutôt que de la structure topologique.

Les découvertes de l’équipe soulèvent des questions importantes sur l’utilisation potentielle de la topologie pour des applications en optique hautement non linéaire. Sur une note plus positive, les théoriciens du MPSD soulignent qu’ils n’excluent pas complètement l’existence de signatures topologiques dans la génération d’harmoniques élevées. Cependant, ils soutiennent que d’autres aspects non topologiques du matériau dominent généralement les spectres résultants, tels que la structure de bande, la symétrie du réseau et la nature chimique des orbitales participantes.

« Nous espérons que notre étude fournira non seulement un » récit édifiant « pour avertir les autres des empreintes digitales topologiques potentiellement trompeuses, mais plus important encore, qu’elle motivera la communauté à proposer des idées plus complexes et plus robustes sur la façon de mesurer la topologie par le non linéaire. optique », conclut Neufeld.

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