Quand deux courants n'en font qu'un express
La lumière du soleil frappe une plaquette de silicium – et un courant apparaît dans le circuit. C'est le fonctionnement habituel d'une cellule photovoltaïque : la lumière arrache des électrons, et la jonction p-n (la frontière entre deux couches de conductivités différentes) les force à se déplacer dans une même direction. Mais dans certains cristaux, le courant naît autrement – sans aucune jonction, simplement grâce à la structure interne du matériau. Parmi ces réponses, on distingue deux types. Le courant d'injection : la lumière « projette » les électrons dans la bande de conduction, et ceux-ci se précipitent tous dans la même direction. Le courant de déplacement : lors de l'absorption d'un photon, les nuages électroniques se déplacent dans l'espace, sans presque changer d'énergie. On a longtemps pensé que ces courants avaient des natures et des mécanismes complètement différents.
Les auteurs de la nouvelle étude montrent qu'il n'en est rien. Les deux courants sont liés par la géométrie des états quantiques des électrons – par ce qu'on appelle la courbure de Berry et la métrique quantique. Un électron dans un cristal est décrit par une fonction d'onde. Celle-ci a une forme et une courbure – un peu comme la surface d'une colline. Lorsque la lumière fait passer un électron d'une bande d'énergie à une autre, ce qui compte n'est pas seulement la différence d'énergie, mais aussi à quel point ces fonctions d'onde sont « tordues » et à quel point elles se chevauchent. Le courant d'injection dépend de la courbure, le courant de déplacement de la métrique. Mais dans certaines conditions, ils fusionnent en un seul.
Ce régime apparaît naturellement dans le graphène sous tension, ainsi que dans les semi-métaux de Dirac et de Weyl. Au lieu de deux expériences différentes, une seule suffit désormais pour mesurer une caractéristique géométrique unifiée des fonctions d'onde. Cette découverte offre un nouveau cadre pour comprendre l'optique non linéaire. Elle suggère que la géométrie quantique pourrait être une clé universelle pour de nombreux phénomènes de la physique du solide qui semblaient auparavant disparates. Et alors, la lumière tombant sur un cristal nous racontera sa courbure interne – comme au tout début, quand un simple rayon de soleil créait un courant dans le silicium, sauf que maintenant nous voyons plus profond.
Dans le graphène, les électrons se comportent comme s'ils étaient sans masse – ils obéissent à l'équation de Dirac, comme des particules relativistes, mais avec une vitesse 300 fois inférieure à celle de la lumière.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Lumière des jours lointains », des trous de ver permettent de voir à travers l'espace – un principe similaire de connexion géométrique est utilisé ici pour unifier différents effets optiques via une même « courbure » des états quantiques.