Une nouvelle tournure de la chiralité : les chercheurs étendent le concept de directionnalité et proposent une nouvelle classe de matériaux

8 mai 2023

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par Michael O'Boyle, Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois

Il est souvent souhaitable de limiter les flux de son, d’électricité ou de chaleur à une seule direction, mais les systèmes naturels ne le permettent presque jamais. Cependant, un écoulement unidirectionnel peut effectivement être conçu sous certaines conditions, et les systèmes résultants présenteraient un comportement chiral.

Le concept de chiralité est traditionnellement limité aux flux unidirectionnels dans une seule dimension. En 2021, cependant, des chercheurs travaillant avec Taylor Hughes, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont introduit une extension théorique permettant de prendre en compte des flux chiraux plus complexes en deux dimensions.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par Hughes et Gaurav Bahl, professeur de sciences et d'ingénierie mécaniques à l'UIUC, a réalisé expérimentalement cette extension. Comme l’ont rapporté les chercheurs dans Nature Communications, ils ont construit un réseau de circuits topologiques, un système électronique qui simule le comportement microscopique des matériaux quantiques, pour explorer les comportements entièrement nouveaux prédits par cette chiralité étendue ou de rang supérieur.

"En fait, nous avons généralisé l'idée d'une rue à sens unique en deux dimensions", a déclaré Hughes. "En deux dimensions, il n'y a pas de sensation absolue que quelque chose se passe dans un sens ou dans l'autre, mais si vous transportez avec vous une flèche fixe, vous pouvez toujours décrire le mouvement chiral par rapport à cette flèche."

En effet, la chiralité de rang supérieur se manifeste par un verrouillage entre la direction du flux d'une particule et la direction d'une flèche, ou quantité vectorielle, qu'elle entraîne avec elle. Pour cette étude, l’équipe s’est concentrée sur la chiralité de rang 2 où le flux est verrouillé pour être transversal au vecteur impulsion porté par les particules.

Penghao Zhu, auteur principal de l'étude et étudiant diplômé en physique de l'UIUC, a expliqué : « Dans la chiralité standard, les flux ne peuvent aller que dans un sens, disons vers la droite. Cependant, un système de rang 2 est conçu de telle sorte que si l'impulsion d'une particule est vers le haut, alors il coule vers la droite, et si l'élan pointe vers le bas, alors il coule vers la gauche.

Dans l’étude de 2021, le groupe de Hughes a proposé un système de matériau quantique pour la chiralité de rang 2, mais leur équipe interdisciplinaire a réalisé qu’elle pouvait plutôt explorer les comportements de ce système avec un réseau de circuits topologiques. Sur cette plate-forme, la chiralité est une conséquence d'une dissipation ou d'un frottement microscopique, appelée non-hermiticité, qui a été conçue pour avoir un impact uniquement sur les flux dans des directions particulières, de sorte que les flux indésirables disparaissent rapidement, ne laissant que le flux dans la direction souhaitée.

Zhu et le chercheur postdoctoral Xiao-Qi Sun ont conçu un réseau de circuits présentant la non-hermiticité nécessaire, et ils ont collaboré avec Bahl pour construire ce matériau « méta » et effectuer des mesures expérimentales. Selon Zhu, le matériau présentait une signature importante des systèmes chiraux : l'effet de peau non hermitien, où l'unidirectionnalité imposée fait que le flux s'accumule à la limite du système.

"De plus, notre expérience révèle de nouveaux phénomènes qui n'ont pas été explorés auparavant, comme la localisation des coins, où les flux s'accumulent au niveau des coins des matériaux", a-t-il déclaré. "Il s'agit de quelque chose de très spécial par rapport à la chiralité de rang 2 et qui ne peut être observé dans aucun effet cutané ayant déjà été démontré."

Les généralisations offertes par la chiralité de rang supérieur suggèrent une nouvelle classe de dispositifs qui pourraient être utilisés pour filtrer les flux et concevoir des faisceaux optiques. Sun imagine un dispositif qui sépare les photons, ou particules de lumière, en fonction de la direction dans laquelle ils se déplacent : si seuls les photons se déplaçant vers la droite sont souhaités, alors un matériau chiral de rang 2 pourrait éliminer les photons se propageant vers la gauche en les forçant dans une direction différente. direction à écarter.