Une approche intelligente de la science de la twistronique offre de nouvelles façons d’explorer les phénomènes quantiques

Le QTM implique la “torsion”, ou la rotation, de deux couches de matériau atomiquement minces l’une par rapport à l’autre. Ces dernières années, une telle torsion est devenue une source majeure de découvertes. Tout a commencé avec la découverte que le placement de deux couches de graphène, des feuilles de carbone cristallin d’un atome d’épaisseur, l’une sur l’autre avec un léger angle de torsion relatif, conduit à un “sandwich” avec de nouvelles propriétés inattendues. L’angle de torsion s’est avéré être le paramètre le plus critique pour contrôler le comportement des électrons : le modifier d’un dixième de degré seulement pourrait transformer le matériau d’un supraconducteur exotique en un isolant non conventionnel. Mais aussi critique soit-il, ce paramètre est aussi le plus difficile à contrôler expérimentalement. Dans l’ensemble, tordre deux couches à un nouvel angle nécessite de construire un nouveau “sandwich” à partir de zéro, un processus très long et fastidieux.

“Notre motivation initiale était de résoudre ce problème en construisant une machine capable de tordre en continu deux matériaux l’un par rapport à l’autre, produisant facilement une gamme infinie de nouveaux matériaux”, explique le professeur Shahal Ilani, chef d’équipe du département de physique de la matière condensée de Weizmann. “Cependant, lors de la construction de cette machine, nous avons découvert qu’elle pouvait également être transformée en un microscope très puissant, capable de voir les ondes électroniques quantiques d’une manière inimaginable auparavant.”

Créer une image quantique

Les images ont longtemps joué un rôle central dans la découverte scientifique. Les microscopes optiques et les télescopes fournissent régulièrement des images qui permettent aux scientifiques de mieux comprendre les systèmes biologiques et astrophysiques. Prendre des photos d’électrons à l’intérieur des matériaux, en revanche, est depuis de nombreuses années notoirement difficile, en raison des petites dimensions impliquées. Cela a été transformé il y a environ 40 ans avec l’invention du microscope à effet tunnel, qui a valu à ses développeurs le prix Nobel de physique en 1986. Ce microscope utilise une aiguille atomiquement pointue pour balayer la surface d’un matériau, mesurer le courant électrique et construire progressivement une image de la distribution des électrons dans l’échantillon.

«De nombreuses sondes à balayage différentes ont été développées depuis cette invention, chacune mesurant une propriété électronique différente, mais toutes mesurent ces propriétés à un endroit à la fois. Ainsi, elles voient principalement les électrons comme des particules et ne peuvent qu’indirectement en savoir plus sur leur onde. nature », explique le Pr Ady Stern de l’Institut Weizmann, qui a participé à l’étude avec trois autres physiciens théoriciens du même département : les Profs. Binghai Yan, Yuval Oreg et Erez Berg. “Il s’est avéré que l’outil que nous avons construit peut visualiser directement les ondes électroniques quantiques, ce qui nous permet de démêler les danses quantiques qu’elles exécutent à l’intérieur du matériau”, explique Stern.

Repérer un électron à plusieurs endroits à la fois

“L’astuce pour voir les ondes quantiques est de repérer le même électron à différents endroits en même temps”, explique Alon Inbar, l’un des principaux auteurs de l’article. “La mesure est conceptuellement similaire à la célèbre expérience à deux fentes, qui a été utilisée il y a un siècle pour prouver pour la première fois que les électrons en mécanique quantique ont une nature ondulatoire”, ajoute le Dr John Birkbeck, un autre auteur principal. “La seule différence est que nous effectuons une telle expérience à la pointe de notre microscope à balayage.”

Pour y parvenir, les chercheurs ont remplacé la pointe atomiquement pointue du microscope à effet tunnel par une pointe qui contient une couche plate d’un matériau quantique, comme une seule couche de graphène. Lorsque cette couche est mise en contact avec la surface de l’échantillon d’intérêt, elle forme une interface bidimensionnelle à travers laquelle les électrons peuvent tunneliser à de nombreux endroits différents. Mécaniquement quantique, ils tunnelisent à tous les endroits simultanément, et les événements de tunnel à différents endroits interfèrent les uns avec les autres. Cette interférence permet à un électron de se tunneliser uniquement si ses fonctions d’onde des deux côtés de l’interface correspondent exactement. “Pour voir un électron quantique, nous devons être doux”, explique Ilani. “Si nous ne lui posons pas la question grossière ‘Où es-tu?’ mais au lieu de cela, fournissez-lui de multiples routes pour traverser notre détecteur sans que nous sachions où il a réellement traversé, nous lui permettons de préserver sa nature ondulatoire fragile.”

Twist et tunnel

Généralement, les ondes électroniques dans la pointe et l’échantillon se propagent dans des directions différentes et ne correspondent donc pas. Le QTM utilise sa capacité de torsion pour trouver l’angle auquel la correspondance se produit : en tordant continuellement la pointe par rapport à l’échantillon, l’outil entraîne également la torsion de leurs fonctions d’onde correspondantes l’une par rapport à l’autre. Une fois que ces fonctions d’onde correspondent des deux côtés de l’interface, un effet tunnel peut se produire. La torsion permet donc au QTM de cartographier la façon dont la fonction d’onde électronique dépend de l’impulsion, de la même manière que les translations latérales de la pointe permettent de cartographier sa dépendance à la position. Le simple fait de savoir sous quels angles les électrons traversent l’interface fournit aux chercheurs de nombreuses informations sur le matériau sondé. De cette manière, ils peuvent en apprendre davantage sur l’organisation collective des électrons dans l’échantillon, leur vitesse, leur distribution d’énergie, les schémas d’interférence et même les interactions des différentes ondes les unes avec les autres.

Une nouvelle tournure sur les matériaux quantiques

“Notre microscope offrira aux scientifiques un nouveau type de “lentille” pour observer et mesurer les propriétés des matériaux quantiques”, déclare Jiewen Xiao, un autre auteur principal.

L’équipe Weizmann a déjà appliqué son microscope pour étudier les propriétés de plusieurs matériaux quantiques clés à température ambiante et se prépare maintenant à faire de nouvelles expériences à des températures de quelques kelvins, où certains des effets mécaniques quantiques les plus excitants sont connus pour avoir lieu. .

Regarder si profondément dans le monde quantique peut aider à révéler des vérités fondamentales sur la nature. À l’avenir, cela pourrait également avoir un effet considérable sur les technologies émergentes. Le QTM permettra aux chercheurs d’accéder à un éventail sans précédent de nouvelles interfaces quantiques, ainsi qu’à de nouveaux “yeux” pour découvrir les phénomènes quantiques en leur sein.