Les chercheurs ont démontré comment les effets topologiques dans un solide construit artificiellement peuvent être manipulés à l’aide de champs magnétiques pour activer ou désactiver les interactions entre particules, ouvrant potentiellement la voie à des progrès dans les technologies quantiques. Leurs expériences, qui impliquaient un pompage topologique dans des systèmes d'atomes de potassium fermioniques froids piégés dans des réseaux créés par laser, ont montré que ces systèmes peuvent transporter de manière robuste des particules dans des directions prévisibles, même lorsqu'ils rencontrent des barrières qui inversent leur mouvement.
En règle générale, il est déconseillé de comparer des pommes avec des oranges. Or, dans le domaine de la topologie, branche des mathématiques, cette comparaison est nécessaire. Il s’avère que les pommes et les oranges sont topologiquement identiques puisqu’elles n’ont pas de trou – contrairement aux beignets ou aux tasses à café, par exemple, qui en ont tous deux un (la poignée dans le cas de la tasse) et, par conséquent, , sont topologiquement égaux.
De manière plus abstraite, les systèmes quantiques en physique peuvent également avoir une topologie spécifique en forme de pomme ou de beignet, qui se manifeste dans les états énergétiques et le mouvement des particules. Les chercheurs sont très intéressés par ces systèmes car leur topologie les rend robustes face aux désordres et autres influences perturbatrices, toujours présentes dans les systèmes physiques naturels.
Les choses deviennent particulièrement intéressantes si, en outre, les particules d’un tel système interagissent, c’est-à-dire qu’elles s’attirent ou se repoussent, comme les électrons dans les solides. Cependant, étudier ensemble la topologie et les interactions dans les solides est extrêmement difficile. Une équipe de chercheurs de l'ETH, dirigée par Tilman Esslinger, est parvenue à détecter des effets topologiques dans un solide artificiel, dans lequel les interactions peuvent être activées ou désactivées à l'aide de champs magnétiques. Leurs résultats, qui viennent d'être publiés dans la revue scientifique Sciencepourrait être utilisé dans les technologies quantiques à l’avenir.
Transport par topologie
Zijie Zhu, doctorant au laboratoire d'Esslinger et premier auteur de l'étude, et ses collègues ont construit le solide artificiel en utilisant des atomes extrêmement froids (atomes de potassium fermionique), qui ont été piégés dans des réseaux spatialement périodiques à l'aide de faisceaux laser. Des faisceaux laser supplémentaires faisaient monter et descendre périodiquement les niveaux d’énergie des sites de réseau adjacents, désynchronisés les uns par rapport aux autres. Après un certain temps, les chercheurs ont mesuré les positions des atomes dans le réseau, initialement sans interactions entre les atomes. Dans cette expérience, ils ont observé que la topologie en forme de beignet des états énergétiques provoquait le transport des particules par un site du réseau, toujours dans la même direction, à chaque répétition du cycle.
Les résultats des chercheurs de l'ETH en hommage à Andy Warhol. L'image montre les résultats expérimentaux du pompage topologique. Crédit : Quantum Optics Group / ETH Zurich
«Cela peut être imaginé comme l'action d'une vis», explique Konrad Viebahn, postdoctorant senior dans l'équipe d'Esslinger. Le mouvement de vissage est une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre autour de son axe, mais la vis elle-même se déplace en conséquence vers l’avant. A chaque tour, la vis avance d'une certaine distance, indépendante de la vitesse à laquelle on tourne la vis. Un tel comportement, également appelé pompage topologique, est typique de certains systèmes topologiques.
Mais que se passe-t-il si la vis heurte un obstacle ? Dans l’expérience des chercheurs de l’ETH, cet obstacle était un faisceau laser supplémentaire qui limitait la liberté de mouvement des atomes dans le sens longitudinal. Après environ 100 tours de vis, les atomes se sont en quelque sorte heurtés à un mur. Dans l’analogie utilisée ci-dessus, le mur représente une topologie en pomme dans laquelle le pompage topologique ne peut pas avoir lieu.
Un retour surprenant
Étonnamment, les atomes ne se sont pas simplement arrêtés au mur, mais se sont soudainement retournés. La vis reculait donc, même si elle continuait à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. Esslinger et son équipe expliquent ce retour par les deux topologies en forme de beignet qui existent dans le réseau : une avec un beignet tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et une autre qui tourne dans la direction opposée. Au niveau du mur, les atomes peuvent passer d’une topologie à l’autre, inversant ainsi leur direction de mouvement.
Les chercheurs ont alors activé une interaction répulsive entre les atomes et observé ce qui se passait. Une fois de plus, ils ont été surpris : les atomes se tournaient désormais vers une barrière invisible avant même d'atteindre le mur laser. «Grâce à des calculs sur modèles, nous avons pu montrer que la barrière invisible était créée par les atomes eux-mêmes, du fait de leur répulsion mutuelle», explique la doctorante Anne-Sophie Walter.
Autoroute Qubit pour les ordinateurs quantiques
«Grâce à ces observations, nous avons fait un grand pas vers une meilleure compréhension des systèmes topologiques en interaction», déclare Esslinger, qui étudie ces effets dans le cadre d'une Advanced Grant du Fonds national suisse (FNS). Dans une prochaine étape, il souhaite réaliser d'autres expériences pour déterminer si la vis topologique est aussi robuste que prévu en ce qui concerne le désordre et comment les atomes se comportent dans deux ou trois dimensions spatiales.
Esslinger a également en tête quelques applications pratiques. Par exemple, le transport d’atomes ou d’ions par pompage topologique pourrait être utilisé comme une autoroute de qubits pour amener les qubits (bits quantiques) dans les ordinateurs quantiques aux bons endroits sans les réchauffer ni perturber leurs états quantiques.
