Quantum tornadoes in momentum space: First experimental proof of a new quantum phenomenon
Tornades quantiques dans l'espace des impulsions : Première preuve expérimentale d'un nouveau phénomène quantique
Par Katja Lesser, Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
Tornade quantique dans l'espace des impulsions. Crédit : Think-Design | Jochen Thamm
Des chercheurs de Würzburg ont démontré expérimentalement l'existence d'une tornade quantique pour la première fois en perfectionnant une méthode éprouvée. Dans l'arséniure de tantale (TaAs), un semi-métal quantique, les électrons dans l'espace des impulsions se comportent comme un vortex tourbillonnant. Ce phénomène quantique a été prédit pour la première fois il y a huit ans par un membre fondateur du pôle d'excellence ct.qmat, basé à Dresde.
Cette découverte, fruit d'une collaboration entre ct.qmat, le réseau de recherche des universités de Würzburg et de Dresde, et des partenaires internationaux, a été publiée dans Physical Review X.
Les scientifiques savent depuis longtemps que les électrons peuvent former des vortex dans les matériaux quantiques. La nouveauté réside dans la preuve que ces minuscules particules créent des structures de type tornade dans l'espace des impulsions – une découverte désormais confirmée expérimentalement. Cette découverte a été menée par le Dr Maximilian Ünzelmann, chef de groupe au sein du groupe ct.qmat (Complexité et topologie de la matière quantique) des universités de Wurtzbourg et de Dresde.
La démonstration de ce phénomène quantique marque une étape majeure dans la recherche sur les matériaux quantiques. L'équipe espère que le comportement tourbillonnaire des électrons dans l'espace des impulsions pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies quantiques, telles que l'orbitronique, qui utiliseraient le couple orbital des électrons pour transmettre l'information dans les composants électroniques au lieu de s'appuyer sur la charge électrique, réduisant ainsi potentiellement les pertes d'énergie.
Espace des impulsions vs. espace des positions
Espace d'impulsion vs espace de position
L'espace d'impulsion est un concept fondamental en physique qui décrit le mouvement des électrons en termes d'énergie et de direction, plutôt que de leur position physique exacte. L'espace de position (son « équivalent ») est le domaine où se produisent des phénomènes familiers comme les tourbillons d'eau ou les ouragans. Jusqu'à présent, même les tourbillons quantiques dans les matériaux n'avaient été observés que dans l'espace de position.
Il y a quelques années, une autre équipe de recherche de ct.qmat a fait sensation dans le monde entier en capturant la toute première image tridimensionnelle d'un champ magnétique de type vortex dans l'espace de position d'un matériau quantique.
Théorie confirmée
Il y a huit ans, Roderich Moessner a émis l'hypothèse qu'une tornade quantique pouvait également se former dans l'espace d'impulsion. À l'époque, le cofondateur de ct.qmat, basé à Dresde, avait décrit le phénomène comme un « anneau de fumée », car, comme les anneaux de fumée, il est constitué de tourbillons. Cependant, jusqu'à présent, personne ne savait comment les mesurer.
Ces expériences révolutionnaires ont révélé que le vortex quantique est créé par le moment angulaire orbital, c'est-à-dire le mouvement circulaire des électrons autour des noyaux atomiques. « Dès que nous avons constaté l'existence et la mesurabilité des vortex quantiques prédits, nous avons immédiatement contacté notre collègue de Dresde et lancé un projet commun », se souvient Ünzelmann.
Découverte d'une tornade quantique grâce à l'amélioration d'une méthode standard
Pour détecter la tornade quantique dans l'espace des impulsions, l'équipe de Würzburg a amélioré une technique bien connue appelée ARPES (spectroscopie de photoémission à résolution angulaire). « L'ARPES est un outil fondamental en physique expérimentale du solide. Elle consiste à éclairer un échantillon de matériau, à extraire des électrons et à mesurer leur énergie et leur angle de sortie.
« Cela nous permet d'observer directement la structure électronique d'un matériau dans l'espace des impulsions », explique Ünzelmann. « En adaptant intelligemment cette méthode, nous avons pu mesurer le moment angulaire orbital. » Je travaille avec cette approche depuis ma thèse.
ARPES s'appuie sur l'effet photoélectrique, décrit pour la première fois par Albert Einstein et enseigné en physique au lycée. Ünzelmann avait déjà perfectionné la méthode en 2021, acquérant une reconnaissance internationale pour la détection de monopôles orbitaux dans l'arséniure de tantale. Aujourd'hui, en intégrant une forme de tomographie quantique, l'équipe a poussé la technique encore plus loin pour détecter la tornade quantique, une nouvelle étape majeure.
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« Nous avons analysé l'échantillon couche par couche, de manière similaire à la tomographie médicale. « En assemblant des images individuelles, nous avons pu reconstituer la structure tridimensionnelle du moment angulaire orbital et confirmer que les électrons forment des vortex dans l'espace des impulsions », explique Ünzelmann.
« La détection expérimentale de la tornade quantique témoigne de l'esprit d'équipe de ct.qmat », déclare Matthias Vojta, professeur de physique théorique du solide à l'Université technique de Dresde et porte-parole de ct.qmat à Dresde. « Grâce à nos solides pôles de physique à Wurtzbourg et à Dresde, nous intégrons harmonieusement théorie et expérimentation. »
« De plus, notre réseau favorise le travail d'équipe entre experts de premier plan et scientifiques en début de carrière, une approche qui alimente nos recherches sur les matériaux quantiques topologiques. Et, bien sûr, presque tous les projets de physique actuels sont des projets mondiaux, y compris celui-ci. »
L'échantillon d'arséniure de tantale a été cultivé aux États-Unis et analysé à PETRA III, une importante installation de recherche internationale du synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg. Un scientifique chinois a contribué à la modélisation théorique, tandis qu'un chercheur norvégien a joué un rôle clé dans les expériences.
L'équipe ct.qmat étudie actuellement la possibilité d'utiliser l'arséniure de tantale pour développer des composants quantiques orbitaux.
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TRADUCTION DU RESUME
Tornades quantiques dans l'espace de l'impulsion : première preuve expérimentale d'un nouveau phénomène quantique.
Des chercheurs de Würzburg ont démontré expérimentalement l'existence d'une tornade quantique pour la première fois en affinant une méthode établie. Dans l'arséniure de tantale (TaAs), un semi-métal quantique, les électrons dans l'espace d'impulsion se comportent comme un vortex tourbillonnant. Ce phénomène quantique a été prédit pour la première fois il y a huit ans par un membre fondateur du pôle d'excellence ct.qmat, basé à Dresde
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COMMENTAIRES
L 'article est interessant maije pense a mes élèves et avant de traiter les flux d électrons dans un ''semi métal quantique'' je réponds auux questions de basse :
1/Comment circule le courant dans un métal conducteur tel qu 'un fil de cuivre ?
Lorsqu'une tension est appliquée sur le fil, elle crée un champ électrique qui provoque le mouvement des électrons. Ces électrons circulent à travers le fil, créant un courant électrique . La vitesse à laquelle l'électricité se déplace dans un fil de cuivre est impressionnante, mais il est important de noter qu'elle n'est pas instantanée. En d"étail le phenomène est plus complex qu un flux de liquide ....En fait
les électrons avancent lentement, etl'énergie, elle, se déplace très rapidement
2/Voilà pourquoi dans le courant alternatif, les électrons voyagent tantôt dans un sens tantôt dans l'autre et se déplacent très peu, de l'ordre du millième de millimètre mais l 'energie du champ continue de se propager tré vite ...
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Je suis allé lire la publication originale mais en dépit de leurs nombreux graphes ils n 'indiquent pas de mesure spécifique de vitesse de leur vortx ...C est déjà bien de découvrir le phénomène !!!
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More information: T. Figgemeier et al, Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011032
Journal information: Physical Review X
Provided by Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
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