Un semi-métal topologique apparaît dans CeRu4Sn6 grâce à la criticité quantique

Un état quantique de la matière vient d’être mis en évidence dans un matériau où de nombreux physiciens jugeaient sa présence impossible, ce qui oblige à revoir les conditions qui régissent le comportement des électrons dans certains solides.

Cette avancée, obtenue par une équipe internationale, pourrait orienter de futurs progrès en informatique quantique, contribuer à de meilleures efficacités électroniques et ouvrir la voie à des technologies de détection et d’imagerie plus performantes.

Une phase de semi-métal topologique prédite puis confirmée

L’état observé correspond à une phase de semi-métal topologique. Il avait été prévu par la théorie qu’il devait apparaître à basse température dans un composé à base de cérium, de ruthénium et d’étain, CeRu₄Sn₆, avant que des expériences n’en valident effectivement l’existence.

CeRu₄Sn₆ et la criticité quantique près du zéro absolu

Lorsqu’il est refroidi à des températures extrêmement basses, CeRu₄Sn₆ atteint la criticité quantique : un point où le matériau est au bord d’un changement de phase, dans des conditions si froides que les fluctuations quantiques prennent le dessus, transformant en quelque sorte le solide en une mare d’ondes plutôt qu’en un brouillard de particules.

Le retournement de situation de cette étude tient au fait que la criticité quantique peut faire émerger des états que l’on pensait surtout déterminés par des interactions entre particules - par exemple l’idée d’électrons se comportant comme des porteurs de charge bien distincts.

« C’est une avancée fondamentale », déclare le physicien Qimiao Si, de l’université Rice (États-Unis).

« Notre travail montre que de puissants effets quantiques peuvent se combiner pour créer quelque chose d’entièrement nouveau, ce qui pourrait aider à façonner l’avenir de la science quantique. »

Topologie : des propriétés protégées malgré l’agitation

En physique, la topologie renvoie à la géométrie des structures matérielles. Certains états topologiques peuvent ainsi protéger des propriétés des particules, à la différence de situations où des particules voisines se bousculent et finissent par perturber mutuellement leurs comportements.

Or, comprendre des états topologiques revient le plus souvent à assembler des propriétés sous forme de « cartes » de type particulaire - une description qu’un matériau n’est pas censé offrir lorsqu’il se trouve précisément en criticité quantique.

La criticité quantique et la topologie sont chacune utiles pour des raisons différentes. Les réunir au sein d’un même matériau pourrait toutefois conduire à une nouvelle famille de systèmes présentant à la fois une forte sensibilité de leurs réponses quantiques et une stabilité fiable.

L’observation clé : l’effet Hall sans champ magnétique

Pour tester CeRu₄Sn₆, les chercheurs l’ont refroidi jusqu’à une température proche du zéro absolu, puis ont appliqué une charge électrique. Ils ont alors observé chez les électrons assurant le transport du courant un phénomène connu sous le nom d’effet Hall : en pratique, le courant se déviait latéralement.

D’après l’équipe, ce signal indiquait nettement l’intervention d’effets topologiques. Habituellement, l’effet Hall implique un champ magnétique, qui dévie les électrons. Ici, aucun champ magnétique n’était présent. À la place, la trajectoire du courant semblait façonnée par quelque chose d’intrinsèque au matériau.

« C’était l’idée décisive qui nous a permis de démontrer sans l’ombre d’un doute que le point de vue dominant doit être révisé », explique la physicienne Silke Bühler-Paschen, de l’Université de technologie de Vienne.

Plus encore, les scientifiques ont constaté que la topologie s’exprimait le plus fortement là où le matériau était le plus instable du point de vue des motifs électroniques. Autrement dit, les fluctuations de la criticité quantique ont, paradoxalement, stabilisé la phase nouvellement identifiée.

Prochaines étapes

Le chantier est loin d’être terminé. Les chercheurs souhaitent déterminer si ce même état quantique peut être observé dans d’autres matériaux, afin d’évaluer à quel point le phénomène est général.

Ils comptent également examiner plus finement la topologie mise en évidence ici, ainsi que les conditions exactes nécessaires pour la rendre possible.

« Ces résultats comblent une lacune en physique de la matière condensée en montrant que de fortes interactions électroniques peuvent engendrer des états topologiques plutôt que les détruire », affirme Si.

« En outre, ils révèlent un nouvel état quantique doté d’une importance pratique considérable. »

« Savoir quoi chercher nous permet d’explorer ce phénomène de manière plus systématique », ajoute-t-il.

« Ce n’est pas seulement une intuition théorique : c’est une étape vers le développement de technologies réelles qui exploitent les principes les plus profonds de la physique quantique. »

Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Physics.