Les atomes d'un matériau sont rarement immobiles. Ils oscillent ensemble sous la forme de vibrations du réseau cristallin, appelées «phonons». Ce mouvement peut également comporter une composante de rotation: en 2023, des scientifiques du PSI ont démontré expérimentalement l'existence de phonons chiraux. Ceux-ci présentent une chiralité spécifique en fonction de leur sens de rotation.

Cette même équipe de chercheurs vient de démontrer qu'un champ électrique appliqué peut contrôler la chiralité de ces phonons. 

Rendre la chiralité commutable

Les chercheurs avaient initialement fait cette découverte sur du quartz; pour la présente étude, ils ont fabriqué un minuscule composant en titanate de baryum (BaTiO_₃). Ce matériau est ferroélectrique, c’est-à-dire qu’il présente une polarisation électrique qui peut être inversée par un champ électrique. Des partenaires de recherche à Taïwan ont fabriqué des membranes en titanate de baryum d’une épaisseur de seulement 40 nanomètres et y ont fixé des mini-électrodes afin de créer un minuscule composant monté sur un support en silicium.

Les chercheurs ont fait basculer la polarisation électrique dans un sens puis dans l’autre et ont étudié comment la chiralité des oscillations atomiques dans le matériau évoluait au cours de ce processus. Ils ont découvert que la chiralité des phonons s’inversait lorsque la polarisation électrique s’inversait. 

À leur grande surprise, ils ont constaté que cet état inversé persistait même après la disparition du champ électrique. Le champ électrique offre ainsi un moyen fiable de contrôler la chiralité des phonons. La commutation s’est produite à température ambiante et avec une tension de seulement 3 volts – deux facteurs qui pourraient favoriser une future intégration dans des appareils. 

Observation de l’inversion de la chiralité

L’équipe a réussi à déterminer la chiralité des phonons à l’aide de rayons X à polarisation circulaire à l’European Synchrotron Radiation Facility ESRF de Grenoble. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS). Grâce à cette technique, ils ont pu déterminer la chiralité des phonons en étudiant la manière dont le moment cinétique est transféré entre les rayons X à polarisation circulaire et le réseau cristallin. 

«Nous savons désormais que le moment cinétique des phonons peut être contrôlé à l’aide de l’électricité. Cela ouvre la voie à une technologie de l’information basée sur les phonons», explique Michael Grimes, premier auteur de l’étude, du Centre de recherche sur les photons du PSI.

Des questions fondamentales sur la nature aux appareils du futur

Comme le mouvement des phonons chiraux comporte une composante de rotation, ceux-ci possèdent un moment cinétique. Le magnétisme est lui aussi étroitement lié au moment cinétique, notamment par le biais du spin et du mouvement orbital des électrons. 

C’est pourquoi les phonons chiraux peuvent potentiellement interagir avec des états électroniques et magnétiques et les influencer. «La possibilité de contrôler la chiralité des phonons pourrait, en principe, constituer un moyen de manipuler les états magnétiques et, par là même, les informations qui y sont codées», explique Urs Staub, physicien au Centre de recherche sur les photons du PSI et responsable de l’étude.

Au-delà de ses implications pratiques, ce sujet s’inscrit dans une réflexion plus large sur les origines de la chiralité dans le vivant.

«Les phonons chiraux sont fascinants car ils touchent à une question fondamentale de la nature dont on sait encore très peu de choses : pourquoi la chiralité existe-t-elle ?», ajoute Urs Staub. «En biologie, la chiralité existe – mais la raison de cette existence reste un mystère. La question de savoir si le magnétisme joue – ou a joué – un rôle à cet égard fait l’objet d’un débat animé. Les phonons chiraux établissent un lien entre le mouvement des atomes et le magnétisme.»