Une approche pionnière élargit les possibilités de mesure de la géométrie quantique dans les solides

Comprendre et mesurer de manière fiable les propriétés géométriques des états quantiques peut apporter un nouvel éclairage sur les fondements complexes de divers phénomènes physiques. Le tenseur géométrique quantique (QGT) est un objet mathématique qui fournit une description détaillée de la façon dont les états quantiques changent en réponse à des perturbations, offrant ainsi un aperçu de leur géométrie sous-jacente.

Bien que cet objet mathématique ait fait l’objet de nombreuses études théoriques, sa mesure dans un cadre expérimental s’est révélée plus difficile. En conséquence, les mesures directes du QGT ont jusqu’à présent été limitées à des systèmes artificiels à deux niveaux.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université nationale de Séoul et d’autres institutions ont récemment mis au point une nouvelle approche pour mesurer le QGT dans les solides cristallins. La méthode proposée, présentée dans un Physique naturelle papier, repose sur la spectroscopie de photoémission, une technique généralement utilisée pour examiner la structure électronique des matériaux.

“Le travail a commencé alors que nous réfléchissions aux moyens de sonder la courbure de Berry des électrons dans les solides”, a déclaré Riccardo Comin, auteur principal de l’article, à Phys.org. “Nous avons initialement conçu une expérience basée sur la relation entre le moment cinétique orbital (sondé par ARPES dichroïque circulaire) et la courbure de Berry.”

La première expérience réalisée par Comin et ses collègues a été un succès et leur a permis de compiler l’ensemble de données qu’ils ont utilisé pour mener leur récente étude. Cela leur a finalement permis de développer leur nouvelle approche pour mesurer le QGT dans les solides, qu’ils ont appelé « reconstruction du QGT complet ».

“La portée complète de notre méthode a été développée grâce aux travaux du groupe du professeur Yang, où l’approche a été élargie pour inclure la reconstruction de la partie réelle du tenseur géométrique quantique (la distance quantique) à partir de la dispersion énergétique des bandes électroniques”, dit Comin.

“À partir de là, nous avons pu développer ensemble une approche reliant la théorie des bandes aux données expérimentales de l’ARPES, ce qui constitue l’avancée clé de cet article.”

L’approche conçue par Comin, le professeur Yang et leurs collègues repose sur deux approches indépendantes mais complémentaires. Ces deux approches impliquent l’analyse des données collectées via la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), comme moyen de récupérer à la fois les parties réelles (c’est-à-dire la distance quantique) et imaginaires (c’est-à-dire la courbure de Berry) du QGT.

“La méthode nécessite l’utilisation d’ARPES résolus en spin et en polarisation et repose sur un ensemble mineur d’approximations, décrites dans l’article”, a expliqué Comin.

“Notamment, la méthode a été conçue pour être applicable à n’importe quel matériau générique, quels que soient les détails de sa structure de bande ou ses propriétés de symétrie. Ce qui rend notre approche plus puissante est que le QGT est résolu pour chaque électron dans l’espace réciproque.

“Il s’agit d’un pas en avant significatif par rapport aux méthodes existantes qui peuvent principalement détecter une courbure de Berry intégrée (alias le nombre de Chern) via des mesures de transport linéaires ou non linéaires.”

L’étude récente de Comin, du professeur Yang et de leurs collègues ouvre de nouvelles possibilités de recherche axées sur les propriétés géométriques des états quantiques dans les solides. La nouvelle approche qu’ils ont développée pourrait bientôt être utilisée pour étudier divers systèmes cristallins, ce qui pourrait enrichir la compréhension actuelle de leurs réponses géométriques quantiques.

“L’implication la plus importante est que nous disposons désormais d’un moyen de récupérer des informations sur la fonction d’onde des électrons, et pas seulement sur les niveaux d’énergie des électrons (c’est-à-dire les bandes électroniques)”, a ajouté Comin.

“Cela permettra d’établir un lien encore plus étroit entre les expériences et la théorie. Dans nos prochaines études, nous prévoyons d’appliquer cette méthode à une large classe de matériaux à topologie non triviale, pour élucider l’origine détaillée des effets géométriques quantiques.”

© 2024 Réseau Science X