Acoustique topologique à l'échelle nanométrique

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.
 

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