Les physiciens américains et européens à la recherche d'une explication à la supraconductivité à haute température ont été surpris lorsque leur modèle théorique a mis en évidence l'existence d'un matériau inédit dans un autre domaine de la physique :les matériaux quantiques topologiques.

Dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans la première édition du Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), Le physicien théoricien de l'Université Rice Qimiao Si et ses collègues du Rice Center for Quantum Materials à Houston et de l'Université de technologie de Vienne en Autriche font des prédictions qui pourraient aider les physiciens expérimentaux à créer ce que les auteurs ont inventé un « semi-métal Weyl-Kondo, " un matériau quantique avec une collection assortie de propriétés observées dans des matériaux disparates comme les isolants topologiques, métaux fermions lourds et supraconducteurs à haute température.

Tous ces matériaux relèvent de la rubrique "matériaux quantiques, " céramique, composites stratifiés et autres matériaux dont le comportement électromagnétique ne peut être expliqué par la physique classique. Selon les mots du célèbre écrivain scientifique Philip Ball, les matériaux quantiques sont ceux dans lesquels « les aspects quantiques s'affirment avec ténacité, et la seule façon de comprendre pleinement le comportement du matériau est de garder le quantum en vue."

Ces comportements bizarres ne surviennent qu'à des températures très froides, où ils ne peuvent pas être masqués par les forces écrasantes de l'énergie thermique. Les matériaux quantiques les plus célèbres sont les supraconducteurs à haute température découverts dans les années 1980, ainsi nommés pour leur capacité à conduire le courant électrique sans résistance à des températures bien supérieures à celles des supraconducteurs traditionnels. Un autre exemple classique est celui des matériaux à fermions lourds découverts à la fin des années 1970. Dans ces, les électrons semblent être effectivement des centaines de fois plus massifs que la normale et, tout aussi inhabituel, la masse effective des électrons semble varier fortement lorsque la température change.

Une génération de physiciens théoriciens a consacré sa carrière à expliquer le fonctionnement des matériaux quantiques. Les travaux de Si se concentrent sur le comportement collectif qui émerge dans les matériaux électroniques en cours de transformation d'un état quantique à un autre. C'est près de tels points de transformation, ou "points critiques quantiques, " que des phénomènes comme la supraconductivité à haute température se produisent.

En 2001, Si et ses collègues ont proposé une nouvelle théorie qui expliquait comment les fluctuations électroniques entre deux états quantiques entièrement différents donnent lieu à de tels comportements aux points critiques quantiques. La théorie a permis à Si et à ses collègues de faire une multitude de prédictions sur le comportement quantique qui se produira dans des types particuliers de matériaux lorsque les matériaux seront refroidis jusqu'au point critique quantique. En 2014, Si a été choisi pour diriger le Rice Center for Quantum Materials (RCQM), un effort à l'échelle de l'université qui s'appuie sur le travail de plus d'une douzaine de groupes Rice dans les écoles de sciences naturelles et d'ingénierie.

"Nous avons été absolument fascinés par les matériaux fortement corrélés, " a déclaré Si à propos de son propre groupe. " Le comportement collectif tel que la criticité quantique et la supraconductivité à haute température ont toujours été au centre de notre attention.

« Au cours des deux dernières années, plusieurs groupes expérimentaux ont signalé une topologie non triviale dans les matériaux conducteurs à l'état solide, mais c'est une question ouverte de savoir s'il y a des états conducteurs qui ont une topologie non triviale et sont, à la fois, fortement interagissant. Aucun de ces matériaux n'a été réalisé, mais il y a beaucoup d'intérêt à les rechercher."

Dans le PNAS étudier, Si a déclaré que lui et son boursier postdoctoral Hsin-Hua Lai et l'étudiante diplômée Sarah Grefe travaillaient avec un ensemble de modèles pour examiner les questions liées à la criticité quantique et aux supraconducteurs à haute température.

"Nous venons vraiment de tomber sur un modèle dans lequel, soudainement, nous avons constaté que la masse était passée de genre 1, 000 fois la masse d'un électron à zéro, " dit Lai. Une signature caractéristique des " fermions de Weyl, " particules quantiques insaisissables proposées pour la première fois par Hermann Weyl il y a plus de 80 ans, c'est qu'ils ont une masse nulle.

Les expérimentateurs n'ont fourni que récemment des preuves de l'existence de matériaux conducteurs à l'état solide pouvant être considérés comme hébergeant des fermions de Weyl. Ces matériaux partagent certaines des caractéristiques des isolants topologiques, un type de matériau quantique qui a attiré l'attention internationale suite à l'attribution du prix Nobel de physique 2016, mais sont tout à fait distincts à d'autres égards. Traditionnellement, les matériaux topologiques n'ont été définis que dans les isolants, et l'électricité ne circulerait qu'à la surface des matériaux et non à travers la masse. Les conducteurs topologiques, cependant, transporter l'électricité en vrac, grâce aux fermions de Weyl.

"Ces conducteurs topologiques peuvent être décrits dans le cadre du manuel des électrons indépendants, " dit Grefe. " La question centrale, aussi difficile que fascinant, est-ce :Que se passe-t-il lorsque les corrélations électroniques sont fortes ? »

En examinant de plus près leur travail, Si, Lai et Grefe ont démontré que leurs fermions de masse nulle sont intimement liés à la fois à de fortes corrélations électroniques et à une topologie non triviale.

"Nous avons rapidement réalisé qu'il s'agissait de fermions de Weyl qui proviennent d'une physique de forte corrélation par excellence appelée l'effet Kondo, " a déclaré Grefe. "Nous avons donc surnommé cet état un semi-métal Weyl-Kondo."

L'effet Kondo capture comment une bande d'électrons, qui sont si fortement corrélés les uns aux autres qu'ils agissent comme des spins localisés, se comportent dans un fond d'électrons de conduction.

Avec la co-auteur de l'étude Silke Paschen, un physicien expérimental à l'Université de technologie de Vienne qui passait six mois au RCQM en tant que professeur invité lorsque la découverte a été faite, Si, Lai et Grefe ont cherché à identifier les signatures expérimentales uniques du semi-métal Weyl-Kondo.

"Nous avons découvert que l'effet Kondo fait bouger les fermions de Weyl avec une vitesse qui diffère de plusieurs ordres de grandeur du cas sans interaction, " Lai a dit. "Cela nous a permis de prédire que les corrélations d'électrons augmenteront une quantité particulière dans la dépendance de la température de la chaleur spécifique par un facteur ahurissant d'un milliard."

Si dit que cet effet est énorme, même selon la norme des systèmes électroniques fortement corrélés, et le travail pointe vers un principe plus large.

"L'effet Kondo dans ce genre de matériaux se produit au voisinage de l'ordre magnétique, ", a déclaré Si. "Nos travaux antérieurs ont montré que la supraconductivité à haute température a tendance à se développer dans des systèmes à la limite de l'ordre magnétique, et cette étude suggère que certains états topologiques fortement corrélés s'y développent également.

"Cela pourrait bien représenter un principe de conception qui guidera la recherche d'une grande variété d'états topologiques fortement corrélés, " il a dit.