En exploitant leurs propriétés topologiques, des structures semi-conductrices nanométriques ont été utilisées pour confiner le son à ultra-haute fréquence.
Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné au domaine de la matière topologique. Un résultat clé a été la démonstration que la topologie peut être utilisée pour prédire le comportement des solides, par exemple le piégeage des électrons à l'interface entre deux isolants cristallins topologiquement différents. Récemment, des phénomènes similaires ont été observés en optique et en acoustique macroscopique.
Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / Université Paris-Sud) et du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Université Paris Diderot) présentent une toute nouvelle plateforme pour étudier les propriétés de confinement prédites par la topologie à l'échelle nanométrique. Leurs travaux sont publiés dans la revue Physical Review B.
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré expérimentalement le piégeage topologique du son à l'échelle nanométrique. Des phonons acoustiques avec des fréquences autour de 350 GHz sont piégés dans des empilements multicouches de semi-conducteurs d'une épaisseur de quelques nanomètres. Les structures sont formées en superposant deux cristaux phononiques de phases topologiques différentes, c'est-à-dire dont les bandes acoustiques sont inversées. Des expériences optiques de diffusion Raman permettent alors de démontrer que les phonons acoustiques sont confinés topologiquement à l’interface entre les deux cristaux phononiques.
Ces états topologiques robustes pourraient faire partie de dispositifs nanophononiques nécessitant des structures de résonance telles que les capteurs ou les lasers à phonons. D’autres applications potentielles peuvent être trouvées en optomécanique, en transport thermique, et pour le contrôle de la décohérence dans les systèmes à l'état solide.
Figure : Modèle de déplacement spatial |u(z)| du phonon d’interface topologique à 350GHz (noir) avec un croquis de la structure multicouche semi-conductrice. L'enveloppe de mode montre un maximum à l'interface entre les deux structures topologiquement différentes, et décroît de façon évanescente dans les deux directions en s'éloignant de l'interface. Les schémas de couleur verte et bleue désignent des régions spatiales avec une phase topologique différente. © C2N / D. Kimura
Référence :
Topological nanophononic states by band inversion,
M. Esmann, F. R. Lamberti, P. Senellart, I. Favero, O. Krebs, L. Lanco, C. Gomez Carbonell, A. Lemaître, and N. D. Lanzillotti-Kimura, Physical Review B (2018)
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevB.97.155422
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud)
- Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Université Paris Diderot)
Contact :
- Martin Esmann, Post-Doctoral researcher at C2N
- Daniel Lanzillotti Kimura, CNRS researcher at C2N
