Dans une nouvelle étude publiée dans Physique de la natureles scientifiques ont atteint la première observation expérimentale du moment angulaire phonon dans les cristaux chiraux.
Les phonons sont les vibrations de réseau quantifiées représentant le son et la chaleur dans les cristaux. Théoriquement, les phonons ont été prévus comme un moment angulaire fini avec des conséquences macroscopiques potentiellement remarquables.
Le célèbre effet Einstein-de Haas explique comment le spin mécanique quantique se connecte au moment angulaire classique lorsqu'un cylindre ferromagnétique tourne sous des champs magnétiques. Bien que cet effet soit connu depuis plus d'un siècle, la version Phonon était restée purement théorique jusqu'à présent.
« Dans les matériaux quantiques, les excitations collectives sont décrites comme des quasiparticules qui transportent et transfèrent des informations quantiques. Les phonons, les quasiparticules du réseau fondamental, ont théoriquement été prédits pour porter un moment angulaire fini. »
« Pour tester cette prédiction, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale basée sur la technologie cantilever pour mesurer directement le moment angulaire des phonons », a expliqué l'équipe de recherche, dirigée par Hu Miao, Heda Zhang et Jiaqiang Yan du Oak Ridge National Laboratory, avec Yang Zhang de l'Université de Tennessee, Knoxville.
Une configuration en porte-à-faux
L'observation du moment angulaire phonon s'est révélée exceptionnellement difficile car les approches de mesure traditionnelles sont incompatibles avec les exigences des expériences de phonons.
Les expériences classiques de l'Einstein-de Haas nécessitent des échantillons librement suspendus pour observer la rotation mécanique. Cependant, les études de phonon nécessitent des contacts thermiques solides pour créer les gradients de température nécessaires dans les environnements cryogéniques pour fonctionner en dessous de la température de Debye du matériau. C'est le seuil ci-dessous desquels les effets quantiques dominent sur le bruit thermique.
Cela crée une impasse expérimentale: les basses températures et gradients thermiques nécessaires au moment angulaire phonon nécessitent des contacts physiques solides qui empêchent la rotation mécanique libre utilisée dans les mesures traditionnelles.
« Ce schéma expérimental est cependant difficile pour les excitations quantiques collectives qui nécessitent généralement un environnement d'échantillon cryogénique et des contacts physiques solides, empêchant l'observation de la rotation physique », explique les chercheurs.
Pour résoudre ce défi fondamental, l'équipe a construit un système de mesure à base de cantilever qui contourne pleinement la nécessité de rotation.
Au lieu de mesurer directement la rotation, leur approche détecte le couple mécanique généré par un moment angulaire phonon avec une précision extraordinaire, leur permettant ainsi de maintenir les contacts thermiques nécessaires tout en observant l'effet mécanique quantique.
Choisir Tellurium
La conception expérimentale se concentre sur des micro-cantilevers ultra-sensibles équipés de ponts de pierre de blé intégrés qui détectent des déformations mécaniques minuscules.
L'équipe a placé des échantillons de Tellurium monocristallin sur des paires de cantilevers alignées dans des directions opposées. Il s'agit d'un élément de conception crucial qui leur permet de distinguer les effets de mouvement angulaire phonon authentiques des artefacts d'expansion thermique.
« Dans notre mesure, des échantillons sont placés sur le dessus des cantilevers qui sont connectés à des réservoirs thermiques de refroidissement. Un gradient thermique est introduit en brillant un laser sur les échantillons. Ce gradient thermique induit Phonon AM (Momenain angulaire). »
« En raison de la conservation de l'élan angulaire, l'échantillon tourne, induisant un couple mécanique sur le cantilever », explique les chercheurs.
Le choix de Tellurium était stratégique. En tant que cristal chiral (manquant de symétrie miroir), Tellurium héberge des modes phonon caractérisés par des mouvements atomiques circulaires qui peuvent porter un moment angulaire. Ce mouvement circulaire est essentiel car il permet de mesurer le moment angulaire phonon.
Lorsque les chercheurs appliquent un gradient thermique le long de l'axe chiral du cristal en utilisant un laser contrôlé avec précision, ils brisent la symétrie inverse du temps du système, permettant à l'émergence de phonons phonons finis.
Le flux de chaleur crée une direction préférée qui brise la symétrie du système, permettant aux mouvements de phonon circulaires de s'additionner plutôt que d'annuler.
« La direction du moment angulaire phonon induit par le gradient thermique est déterminée par la chiralité des cristaux. Si le cristal contient à la fois la chiralité à gauche et à droite, le moment angulaire sera annulé », explique l'équipe, soulignant pourquoi les monocristaux sont essentiels pour l'effet.
Valider les données expérimentales
Les mesures de l'équipe ont révélé des couples sur l'ordre de 10-11 NM, correspondant remarquablement bien les prédictions théoriques.
Plus important encore, les expériences ont montré les signatures clés attendues pour le moment angulaire phonon: directions de couple opposées sur les deux cantilevers pour les échantillons monocristallins, inversion de couple lorsque la direction du gradient thermique est inversée et la disparition de l'effet dans les échantillons polycristallins manquant de chiralité préférée.
« Faire briller un laser sur l'échantillon peut créer une expansion thermique, ce qui peut induire un couple mécanique sur l'échantillon. Il s'agit de la principale erreur systématique qui doit être prise en compte. »
« Nous avons conçu l'expérience pour que les cantilevers pointent dans des directions opposées. Sous cette géométrie, le véritable couple induit par le moment angulaire du phonon aura le signe opposé, tandis que l'effet de chauffage laser` `trivial '' montrera le même signe », notent les chercheurs, expliquant comment leur conception expérimentale isole le réel effet phonon.
La dépendance à la température a également confirmé les attentes théoriques. L'effet était le plus fort à 10 K, bien en dessous de la température de Tellurium de Debye d'environ 130 K, et a disparu à température ambiante, où l'énergie thermique submerge la cohérence quantique nécessaire au moment angulaire phonon.
Travail futur et au-delà
Cette constatation pourrait conduire au développement de nouvelles technologies quantiques, telles que les mécanismes de transduction quantique, la manipulation de l'état de spin thermique et différentes techniques de traitement de l'information quantique.
La capacité de générer et de contrôler le moment angulaire phonon à travers les gradients thermiques représente un nouveau paradigme pour coupler les degrés thermiques, mécaniques et quantiques de liberté dans les matériaux.
« Les états quantiques chiraux, y compris la supraconductivité chirale et le liquide de spin quantique, sont des frontières de la recherche sur les matériaux quantiques. Le moment angulaire est une propriété physique clé des états quantiques chiraux. »
« Notre configuration expérimentale sera appliquée à diverses plates-formes de matériaux chiraux pour révéler des excitations quantiques chirales émergentes avec des applications potentielles de science de l'information quantique », explique l'équipe, concernant les orientations futures.
Les travaux ouvrent également des possibilités pour des classes entièrement nouvelles de dispositifs quantiques qui exploitent le couplage entre les gradients thermiques et les couples mécaniques à travers un moment angulaire phonon. Ces dispositifs pourraient trouver des applications dans des systèmes de détection ultra-sensibles, comme la détection de matière noire.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
