Publié le 24 novembre 2020 Mis à jour le 24 novembre 2020

Dans Nature Communications, Marco Di Liberto, Nathan Goldman et Giandomenico Palumbo, Faculté des Sciences, démontrent que des champs intrinsèques non-abéliens peuvent générer un nouveau type d'oscillations de Bloch dans les cristaux. Ce travail apporte un nouvel éclairage sur la matière quantique topologique aux propriétés non-abéliennes.

Les phénomènes oscillatoires sont omniprésents dans la nature, des orbites des planètes au mouvement périodique d'une balançoire. Dans les systèmes cristallins purs (présentant une structure périodique exacte), les lois fondamentales de la physique quantique prédisent un effet oscillatoire remarquable et contre-intuitif: lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique constant, les électrons oscillent dans le matériaux plutôt que de dériver, un phénomène connu sous le nom d'oscillations de Bloch. Cet effet étonnant fut démontré dans divers systèmes physiques, notamment, dans des gaz ultrafroids plongés dans un réseau optique.

En général, le mouvement des particules est affecté par la présence de forces, telles que celles générées par des champs électromagnétiques. Dans certains matériaux, des champs semblables aux champs électromagnétiques peuvent émerger et potentiellement affecter les oscillations de Bloch. D'un point de vue mathématique, ces champs intrinsèques au cristal peuvent prendre des formes très différentes. Dans certains cas, ces champs sont représentés par des quantités mathématiques qui ont la particularité de ne pas commuter, c'est à dire que le produit "a x b" n'est pas égal à "b x a". Ces quantités mathématiques, et les propriétés physiques qui en découlent, sont qualifiées de "non-abéliennes". Dans la nature, des telles forces non-abéliennes sont nécessaires pour décrire les interactions nucléaires, contrairement à l'électromagnétisme qui est simplement décrit en termes de champs abéliens.

Dans un article paru dans Nature Communications, Marco Di Liberto, Nathan Goldman et Giandomenico Palumbo de l’Unité de recherche en systèmes complexes et mécanique statistique – Faculté des Sciences - démontrent que des champs intrinsèques non-abéliens peuvent générer un nouveau type d'oscillations de Bloch dans les cristaux. Ce phénomène oscillatoire exotique est caractérisé par une démultiplication de la période des oscillations, par rapport à la période fondamentale établie par la géométrie du cristal. Ce facteur multiplicatif a une origine profonde, puisqu'il est établi par les symétries du cristal et peut être attribué à un invariant topologique (une quantité numérique qui est robuste sous de petites déformations du cristal). Par ailleurs, les auteurs démontrent que ces oscillations de Bloch exotiques sont parfaitement synchronisées avec un battement des états internes du cristal. Ce travail apporte un nouvel éclairage sur la matière quantique topologique aux propriétés non-abéliennes.

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