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Une étude pionnière révèle des effets Hall quantiques 3D dans les cristaux acoustiques de Weyl

SciTechDaily

Des chercheurs ont étendu l'effet Hall quantique aux ondes acoustiques en trois dimensions, en utilisant un champ pseudomagnétique pour observer de nouveaux états de bord unidimensionnels dans un cristal de Weyl imprimé en 3D. Crédit : Issues.fr.com

Une nouvelle étude a démontré l'effet Hall quantique tridimensionnel dans les ondes acoustiques à l'aide d'un cristal acoustique de Weyl, marquant la première observation d'états de bord unidimensionnels et ouvrant des voies pour le développement de dispositifs acoustiques avancés.

L'effet Hall quantique (QHE) est une découverte majeure en physique de la matière condensée, ouvrant la voie à l'exploration de la physique topologique. Faire progresser le QHE en trois dimensions représente un défi passionnant mais redoutable. La complication vient du fait qu'en trois dimensions, les niveaux de Landau évoluent en bandes le long de la direction du champ magnétique, ce qui empêche la formation de lacunes de volume.

Récemment, un schéma réalisable a été proposé dans les semi-métaux de Weyl, dont les états d'arc de Fermi sur des surfaces opposées sont connectés par les points de Weyl de volume pour former une boucle de Fermi complète, et sous l'effet du champ magnétique, des états de bord unidimensionnels sont induits sur la frontière de la surface opposée. Cependant, les états de bord uniques n'ont pas encore été observés expérimentalement.

Dans un nouvel article publié dans Bulletin scientifiqueDes chercheurs de l'Université de Shanxi et de l'Université de Wuhan en Chine ont proposé théoriquement et démontré expérimentalement le QHE tridimensionnel pour les ondes acoustiques dans un cristal acoustique de Weyl. En particulier, les états de bord unidimensionnels intéressants sur les surfaces opposées ont été directement observés.

Modèle de liaison étroite pour l'effet Hall quantique 3D dans un système inhomogène

(a) Schéma du réseau hexagonal d'empilement AA. (b) Première zone de Brillouin et distribution des points de Weyl. Les flèches montrent leur direction de décalage en changeant les énergies sur site de A et B. (c) Configuration inhomogène avec gradient d'énergie sur site. (d) Contours d'équi-énergie des états de surface à l'énergie des points de Weyl avec différentes énergies sur site. (e) Dispersion projetée d'une structure en forme de parallélogramme le long de la direction kz. (f) Distributions de fonctions d'onde des états de bord. Crédit : Science China Press

Application du champ pseudomagnétique

Comme le champ magnétique n'a aucun effet sur les ondes acoustiques, un champ pseudomagnétique a été construit, dont l'effet sur les ondes acoustiques est similaire à celui des champs magnétiques sur les électrons. Une stratégie courante pour construire des PMF d'ondes acoustiques consiste à introduire un gradient structurel. Dans cet article, la structure du gradient a été introduite en faisant varier les cavités acoustiques correspondant à l'énergie sur site. Au cours du processus, les arcs de Fermi reliant les points de Weyl se sont décalés simultanément dans la même direction, de sorte que les états de volume et de surface ont ressenti le même champ pseudomagnétique. Avec le champ pseudomagnétique, les états de surface ont formé des niveaux de Landau, et les états de bord unidimensionnels ont été générés et localisés près des charnières diagonales.

Dans l'expérience, un échantillon de cristal acoustique a été fabriqué à l'aide de la technologie d'impression 3D et les états de bord unidimensionnels ont été directement observés en mesurant le champ de pression acoustique dans l'échantillon.

« Cette étude pourrait ouvrir de nouvelles voies pour manipuler les ondes acoustiques, qui servent de base à des dispositifs acoustiques aux fonctions non conventionnelles. Elle fournit une plate-forme idéale et ajustable pour explorer la physique de Hall, et peut s'étendre à d'autres structures artificielles, telles que les systèmes optiques et atomiques froids. » prévoient les chercheurs.

L'étude a été financée par le Programme national de recherche et développement de Chine (ministère de la Science et de la Technologie).

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