Protection de phase topologique rames à sous
Une équipe de recherche internationale fait une percée en physique
Institut national de la recherche scientifique - INRS
image : Illustration schématique classant les perturbations dans la phase topologique à symétrie protégée (phase SPT). La région de chevauchement entourée de lignes rouges, grises et vertes représente une phase topologique à symétrie protégée présentant un invariant topologique et des états limites topologiques correspondants. La ligne grise est un ensemble de perturbations affectant les états aux limites mais ne brisant pas l'invariant topologique du système global. Les zones de lignes rouges et vertes montrent les états limites protégés par leur sous-symétrie respectivement associée. L'exemple illustré montre deux ensembles de perturbations qui satisfont la sous-symétrie mais détruisent l'invariant topologique du système global. Dans ce cas, la sous-symétrie protège les états limites.Voir plus
Crédit : Domenico Bongiovanni et co-auteurs
Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université Nankai en Chine et de l'Université de Zagreb en Croatie, ainsi que l'équipe de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) au Canada, dirigée par Roberto Morandotti, a fait une percée importante dans l'étude de la topologie phases. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans Nature Physics – une revue publiée par Nature Publishing Group.
Au cours de la dernière décennie, la photonique topologique a attiré une attention croissante en raison des perspectives uniques de réaliser une manipulation de la lumière avec des performances élevées en termes de robustesse et de stabilité. Les découvertes en photonique topologique ont ouvert la voie au développement d'une nouvelle génération de dispositifs photoniques, tels que des lasers et des cavités topologiques, présentant des états topologiquement protégés qui sont immunisés contre les désordres et les défauts. Le concept de topologie en physique est hérité des mathématiques, où la topologie est employée pour étudier les propriétés géométriques d'un objet concernant des quantités qui sont conservées sous déformation continue. Deux objets sont topologiquement identiques lorsque la surface de l'un peut se déformer continûment dans celle de l'autre et inversement, par exemple, une tasse à café et un tore sont équivalents d'un point de vue topologique. En physique, le concept de topologie est utilisé pour décrire les caractéristiques de la bande d'énergie, conduisant à la prédiction de nouveaux états topologiques de la matière et de divers matériaux topologiques. Différentes phases topologiques (triviales et non triviales) sont distinguées en introduisant de manière appropriée des invariants topologiques quantifiés, qui permettent d'établir un lien entre les propriétés de masse et l'émergence de la caractéristique à la frontière de ces matériaux, appelée "correspondance masse-limite". À cet égard, la caractéristique la plus distinctive d'une topologie non triviale est l'existence d'états limites topologiques robustes protégés par des symétries spatiales et/ou intrinsèques spécifiques.
En général, dans les systèmes de phase topologique protégée par symétrie (phase SPT), on pense que la relation étroite entre les états limites topologiques, les invariants topologiques et une ou plusieurs symétries globales est indispensable pour maintenir la protection topologique contre les perturbations. En conséquence, les invariants topologiques et les états aux limites topologiques sont irrémédiablement affectés par toute distorsion qui brise la symétrie sous-jacente. Dans ce travail, l'équipe de recherche internationale a remis en question cette croyance commune traditionnelle et élargi ainsi la compréhension des états limites SPT. Ils ont découvert que même si le système n'a plus d'invariants topologiques quantifiés et certains types de symétrie globale, les états aux limites topologiques peuvent toujours exister dans les sous-espaces correspondants, protégés par les soi-disant "sous-symétries".
"Notre découverte remet en question la pensée commune de la phase topologique à symétrie protégée en topologie et renouvelle la correspondance des invariants topologiques et des états aux limites", a déclaré Domenico Bongiovanni, l'un des principaux chercheurs, chercheur postdoctoral à l'INRS-EMT. "Notre idée a le potentiel d'expliquer l'origine topologique de nombreux états non conventionnels et peut trouver une application dans différentes plates-formes et systèmes physiques."
Les chercheurs, en introduisant et en explorant le concept de sous-symétrie, ont découvert que la symétrie globale au sens traditionnel n'est pas complètement nécessaire pour la protection des états limites topologiques. À cet égard, les états aux limites topologiques sont préservés tant que les symétries des sous-espaces spécifiques sont satisfaites, même lorsque les invariants topologiques globaux n'existent plus. L'équipe de recherche a intelligemment conçu et fabriqué des structures de réseau photonique à l'aide d'une technique d'écriture au laser continu pour répondre aux conditions de différentes symétries de sous-espace. Les expériences ont démontré une preuve de concept avec deux treillis topologiques les plus typiques : les treillis SSH unidimensionnels et les treillis Kagome bidimensionnels. En outre, l'équipe a introduit de manière innovante le concept de symétrie de couplage à longue portée dans le modèle de réseau de Kagome, qui résout les controverses actuelles sur l'existence et la protection topologique d'états topologiques d'ordre supérieur dans le réseau de Kagome.
Cette étude remet non seulement en question la compréhension traditionnelle des états topologiques protégés par la symétrie, mais fournit également de nouvelles idées pour la recherche et l'application des états topologiques dans différents contextes physiques. Cet impact de ces travaux devrait favoriser davantage le développement de la photonique topologique et de ses domaines interdisciplinaires de pointe, ainsi que la recherche et le développement d'une nouvelle génération de dispositifs photoniques topologiques basés sur des états limites protégés par la sous-symétrie.
À propos de cette étude
L'article "États topologiques protégés par sous-symétrie" par Ziteng Wang, Xiangdong Wang, Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni, Dario Jukić, Liqin Tang, Daohong Song, Roberto Morandotti, Zhigang Chen, Hrvoje Buljan a été publié dans la revue Nature Physics. L'étude a reçu le soutien financier du Programme national clé de recherche et de développement et de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du Centre d'excellence QuantiXLie cofinancé par le gouvernement croate et l'Union européenne, et du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG ) et le Programme des chaires de recherche du Canada (CRC).
Physique naturelle
10.1038/s41567-023-02011-9
Article de presse
N'est pas applicable
États topologiques protégés par la sous-symétrie
17-Avr-2023
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image : Illustration schématique classant les perturbations dans la phase topologique à symétrie protégée (phase SPT). La région de chevauchement entourée de lignes rouges, grises et vertes représente une phase topologique à symétrie protégée présentant un invariant topologique et des états limites topologiques correspondants. La ligne grise est un ensemble de perturbations affectant les états aux limites mais ne brisant pas l'invariant topologique du système global. Les zones de lignes rouges et vertes montrent les états limites protégés par leur sous-symétrie respectivement associée. L'exemple illustré montre deux ensembles de perturbations qui satisfont la sous-symétrie mais détruisent l'invariant topologique du système global. Dans ce cas, la sous-symétrie protège les états limites. À propos de cette étude "États topologiques protégés par la sous-symétrie"