Des chercheurs de Würzburg ont expérimentalement démontré une tornade quantique pour la première fois en affinant une méthode établie. Dans l'arséniure de tantale en tension quantique (TAAS), les électrons dans l'espace de momentum se comportent comme un vortex tourbillonnant. Ce phénomène quantique a été prévu pour la première fois il y a huit ans par un membre fondateur basé à Dresde du Cluster of Excellence Ct.Qmat.
The Discovery, un effort de collaboration entre Ct.Qmat, le réseau de recherche des universités de Würzburg et Dresde, et des partenaires internationaux, a maintenant été publié dans Revue physique x.
Les scientifiques savent depuis longtemps que les électrons peuvent former des tourbillons dans les matériaux quantiques. Ce qui est nouveau, c'est la preuve que ces minuscules particules créent des structures de type tornade dans l'espace de momentum – une découverte qui a maintenant été confirmée expérimentalement. Cette réalisation a été dirigée par le Dr Maximilian ünzelmann, un chef de groupe chez CT.QMAT – complexité et topologie en matière quantique – dans les universités de Würzburg et Dresde.
Démontrant ce phénomène quantique marque une étape importante dans la recherche sur les matériaux quantiques. L'équipe espère que le comportement de type vortex des électrons dans l'espace de momentum pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies quantiques, telles que l'orbitronique, qui utiliserait le couple orbital des électrons pour transmettre des informations dans des composants électroniques au lieu de s'appuyer sur la charge électrique, potentiellement réduire les pertes d'énergie.
Espace de quantité de mouvement par rapport à l'espace de position
L'espace d'élan est un concept fondamental de la physique qui décrit le mouvement des électrons en termes d'énergie et de direction, plutôt que leur position physique exacte. L'espace de position (son « homologue ») est le domaine où des phénomènes familiers comme les tourbillons d'eau ou les ouragans se produisent. Jusqu'à présent, même des tourbillons quantiques dans les matériaux n'avaient été observés que dans l'espace de position.
Il y a quelques années, une autre équipe de recherche CT.QMAT a fabriqué des vagues dans le monde lorsqu'ils ont capturé la toute première image tridimensionnelle d'un champ magnétique de type vortex dans l'espace de position d'un matériau quantique.
Théorie confirmée
Il y a huit ans, Roderich Moessner a théorisé qu'une tornade quantique pouvait également se former dans l'espace de l'élan. À l'époque, le co-fondateur de CT.QMAT basé à Dresde a décrit le phénomène comme un « anneau de fumée » car, comme les anneaux de fumée, il se compose de tourbillons. Cependant, jusqu'à présent, personne ne savait comment les mesurer.
Les expériences révolutionnaires ont révélé que le vortex quantique est créé par moment angulaire orbital – mouvement circulaire des électrons autour des noyaux atomiques. « Lorsque nous avons vu des signes pour la première fois que les tourbillons quantiques prévus existaient réellement et que nous avons pu être mesurés, nous avons immédiatement contacté notre collègue de Dresde et lancé un projet conjoint », se souvient ünzelmann.
Tornado quantique découvert en affinant une méthode standard
Pour détecter la tornade quantique dans l'espace de quantité de mouvement, l'équipe de Würzburg a amélioré une technique bien connue appelée ARPES (spectroscopie de photoémission résolue par angle). « ARPES est un outil fondamental dans la physique expérimentale à l'état solide. Elle implique de la lumière brillante sur un échantillon de matériau, d'extraction d'électrons et de mesurer leur angle d'énergie et de sortie.
« Cela nous donne un regard direct sur la structure électronique d'un matériau dans l'espace de l'élan », explique ünzelmann. « En adaptant intelligemment cette méthode, nous avons pu mesurer le moment angulaire orbital. Je travaille avec cette approche depuis ma thèse. »
Arpes est enraciné dans l'effet photoélectrique, décrit pour la première fois par Albert Einstein et enseigné en physique du secondaire. Ünzelmann avait déjà affiné la méthode en 2021, gagnant une reconnaissance internationale pour détecter les monopoles orbitaux dans l'arséniure de tantale. Maintenant, en intégrant une forme de tomographie quantique, l'équipe a poussé la technique un peu plus loin pour détecter la tornade quantique – une autre étape importante.
« Nous avons analysé la couche d'échantillon par couche, similaire à la fonctionnalité de la tomographie médicale.
« La détection expérimentale de la tornade quantique témoigne de l'esprit d'équipe de CT.QMAT », explique Matthias Vojta, professeur de physique théorique à l'état solide à Tu Dresde et porte-parole de Dresde de CT.QMAT. «Avec nos forts hubs de physique à Würzburg et à Dresde, nous intégrons de manière transparente la théorie et l'expérience.
« De plus, notre réseau favorise le travail d'équipe entre les principaux experts et les scientifiques en début de carrière – une approche qui alimente nos recherches sur les matériaux quantiques topologiques. Et, bien sûr, presque tous les projets de physique aujourd'hui sont un effort mondial – celui-ci inclus. »
L'échantillon d'arséniure de tantale a été cultivé aux États-Unis et analysé à Petra III, une grande installation de recherche internationale au Synchrotron allemand Electron (DESY) à Hambourg. Un scientifique de Chine a contribué à la modélisation théorique, tandis qu'un chercheur de Norvège a joué un rôle clé dans les expériences.
Pour l'avenir, l'équipe CT.QMAT explore si l'arséniure de tantale pourrait être utilisé à l'avenir pour développer des composants quantiques orbitaux.
