Nids d'abeilles de lumière : la topologie à température ambiante ✛
Les phases topologiques se cachent généralement dans des cryostats. Circuits supraconducteurs, atomes ultra-froids, impulsions laser : tous protègent l'ordre quantique du bruit thermique. Mais dans le laboratoire de l'Université du Zhejiang, la topologie est sortie du froid : le modèle de Haldane, référence des isolants topologiques, a été réalisé dans une vapeur de rubidium à température ambiante.
Le réseau superradiant est un nid d'abeilles de lumière où les atomes dansent en chœur, sans craindre le bruit thermique. Trois champs laser avec des vecteurs d'onde k1, k2, k3 couplent les niveaux atomiques, et leurs phases sont modulées selon la loi θj(t) = f sin(δt + φj) avec une fréquence de 80 MHz. Cette modulation fait se déplacer les points de Dirac sur un cercle, accumulant une phase de Berry π par période. Une bande interdite topologique apparaît, et les transitions entre les nœuds du réseau acquièrent des amplitudes complexes, comme dans le modèle de Haldane original, mais sans champ magnétique.
Le résultat clé est l'observation de la transition topologique via le signe du contraste de superradiance η = (|ck+|² − |ck−|²)/(|ck+|² + |ck−|²). Pour une faible profondeur de modulation f = 1.0, le diagramme de phase est divisé par la diagonale φ2 = φ3 en deux régions avec des nombres de Chern C = −1 et C = +1. Le signe de η change lorsqu'on franchit la frontière, reflétant directement le changement de signe de l'invariant topologique. Pour une grande profondeur f = 3.2, des îlots de phase opposée apparaissent dans le diagramme, semblables au symbole du yin et du yang, en raison de la contribution des transitions entre zones de Floquet non voisines.
La modulation forte a ouvert la porte au monde des nombres de Chern plus élevés. Pour f = 2.6, autour de chaque point de Dirac original apparaissent trois points satellites de chiralité opposée, ce qui change le nombre de Chern de 1 à −2, une phase d'ordre élevé inaccessible dans le modèle de Haldane standard. Les spectres d'absorption montrent un aplatissement des bandes près de f = 2.6 et f = 5.7, lié à la compétition entre sauts de différentes portées.
Ce travail n'est pas seulement une belle expérience. Il montre que la protection topologique peut fonctionner à température finie, là où le bruit thermique détruit habituellement la cohérence. La plateforme à atomes thermiques démontre pour la première fois une transition topologique à température ambiante avec un signe et une amplitude contrôlables de l'invariant topologique. Dès aujourd'hui, elle peut servir à tester des dispositifs quantiques topologiques à température ambiante, par exemple des capteurs basés sur des transitions de phase.
La cellule contenant la vapeur de rubidium ne mesure que 2 centimètres, et la température à l'intérieur est d'environ 300 kelvins : c'est comme un verre de thé chaud dans lequel surgirait soudain un ordre quantique qui exige d'habitude des millikelvins.
Dans la série « The Expanse », les ordinateurs quantiques à bord des vaisseaux fonctionnent sans cryostats encombrants : ces travaux rapprochent un peu ce scénario de la réalité.