New state of matter discovered in a quantum material
Découverte d'un nouvel état de la matière dans un matériau quantique
Université de Technologie de Vienne
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
The GIST
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Silke Bühler-Paschen (à gauche), Diego Zocco et Diana Kirschbaum. Crédit : TU Wien
À l'Université de Technologie de Vienne (TU Wien), des chercheurs ont découvert un état dans un matériau quantique qui était jusqu'alors considéré comme impossible. La définition des états topologiques doit être généralisée.
Ces travaux sont publiés dans Nature Physics.
La physique quantique nous apprend que les particules se comportent comme des ondes et que, par conséquent, leur position dans l'espace est inconnue. Pourtant, dans de nombreuses situations, il reste remarquablement pertinent de se représenter les particules de manière classique : comme de minuscules objets se déplaçant d'un endroit à un autre à une certaine vitesse.
Lorsque les physiciens décrivent, par exemple, la circulation du courant électrique dans les métaux, ils imaginent des électrons parcourant le matériau à toute vitesse et étant accélérés ou déviés par des champs électromagnétiques.
Des approches encore plus modernes s'appuient sur cette représentation particulaire, comme le concept d'états topologiques, dont la découverte a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2016. Cependant, il existe des matériaux pour lesquels cette représentation particulaire devient caduque (voir la publication ci-dessous). Dans ces cas, il n'est plus pertinent de considérer les électrons comme de petites particules dotées d'une position bien définie ou d'une vitesse unique.
Or, une équipe de recherche de l'Université technique de Vienne (TU Wien) a démontré que de tels matériaux peuvent néanmoins présenter des propriétés topologiques, même si celles-ci étaient jusqu'à présent expliquées par un comportement de type particulaire. Ceci démontre que les états topologiques sont plus généraux qu'on ne le pensait : deux concepts apparemment contradictoires se révèlent compatibles.
Quand la représentation particulaire n'est plus valable
« La représentation classique des électrons comme de petites particules subissant des collisions lorsqu'ils circulent dans un matériau sous forme de courant électrique est étonnamment robuste », explique la professeure Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique du solide de la TU Wien. « Avec certains perfectionnements, elle reste valable même pour des matériaux complexes où les électrons interagissent fortement entre eux. »
Cependant, il existe aussi des situations où ce modèle semble s'effondrer complètement et où les porteurs de charge perdent leur caractère particulaire. C'est le cas, semble-t-il, du matériau composé de cérium, de ruthénium et d'étain (CeRu₄Sn₆), récemment étudié à l'Université technique de Vienne (TU Wien) à des températures extrêmement basses.
« Au voisinage du zéro absolu, il présente un comportement quantique critique particulier », explique Diana Kirschbaum, première auteure de la publication. « Le matériau oscille entre deux états différents, comme s'il n'arrivait pas à se décider. Dans ce régime fluctuant, le modèle quasi-particulaire perdrait tout son sens. »
Aperçu et caractérisation de CeRu₄Sn₆. Crédit : Nature Physics (2026). DOI : 10.1038/s41567-025-03135-w
Topologie : Petits pains et beignets
Indépendamment de cette découverte, le matériau a également fait l’objet d’une étude théorique, aboutissant à la conclusion qu’il devrait présenter des états topologiques. « Le terme topologie vient des mathématiques, où il sert à distinguer certaines structures géométriques », explique Silke Bühler-Paschen.
« Par exemple, une pomme est topologiquement équivalente à un petit pain, car le petit pain peut être déformé de manière continue pour prendre la forme d’une pomme. Un petit pain est cependant topologiquement différent d’un beignet, car le beignet possède un trou qui ne peut être créé par déformation continue.»
De la même manière, les états de la matière peuvent être décrits : les vitesses et les énergies des particules — et même l’orientation de leur spin par rapport à leur direction de mouvement — peuvent obéir à des règles géométriques spécifiques. Ceci est particulièrement intéressant car cela confère aux propriétés topologiques une grande robustesse.
De petites perturbations, comme des défauts dans le matériau, ne modifient pas ces propriétés – tout comme de petites déformations ne peuvent transformer un beignet en pomme. C’est pourquoi les effets topologiques présentent un grand intérêt pour le stockage de l’information quantique, les nouveaux types de capteurs et le contrôle des courants électriques sans champ magnétique.
Aussi abstraite et inhabituelle que puisse paraître la description du comportement des particules par la topologie, ces descriptions se sont traditionnellement appuyées indirectement sur le modèle corpusculaire classique. « Ces théories supposent que l’on décrit un système doté de vitesses et d’énergies bien définies », explique Diana Kirschbaum.
« Or, de telles vitesses et énergies bien définies ne semblent pas exister dans notre matériau, car il présente un comportement quantique critique considéré comme incompatible avec un modèle corpusculaire. Néanmoins, des approches théoriques simples, ignorant ces propriétés non corpusculaires, avaient prédit que le matériau devrait présenter des caractéristiques topologiques. »
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La curiosité est une vertu
Ceci présentait une contradiction flagrante. C’est pourquoi l’équipe de Bühler-Paschen a d’abord hésité à prendre au sérieux la prédiction théorique de la topologie et à approfondir l’étude. Finalement, la curiosité l’a emporté et Diana Kirschbaum a entrepris de rechercher des preuves expérimentales d’états topologiques.
En effet, à des températures extrêmement basses – inférieures à un degré au-dessus du zéro absolu – elle a observé un comportement qui indique clairement la présence d’états topologiques : un effet Hall spontané (anormal). Dans l’effet Hall, les porteurs de charge sont normalement déviés par un champ magnétique. Cependant, cette déviation peut également résulter d’effets topologiques, même en l’absence de tout champ magnétique externe.
Ce qui est particulièrement remarquable, c'est que les porteurs de charge se comportent comme des particules, même si le modèle particulaire semble inadapté à ce matériau. « Cette intuition clé nous a permis de démontrer sans l'ombre d'un doute que l'opinion dominante doit être révisée », explique Silke Bühler-Paschen.
« Et ce n'est pas tout », ajoute Diana Kirschbaum. « L'effet topologique est le plus marqué précisément là où le matériau présente les plus grandes fluctuations. Lorsque ces fluctuations sont supprimées par la pression ou des champs magnétiques, les propriétés topologiques disparaissent.»
Les états topologiques sont plus généraux qu'on ne le pensait.
« Ce fut une énorme surprise », déclare Silke Bühler-Paschen. « Cela montre que les états topologiques doivent être définis en termes plus généraux.» L'équipe qualifie cet état nouvellement découvert de semi-métal topologique émergent et a collaboré avec l'Université Rice au Texas, où Lei Chen (co-premier auteur de la publication), travaillant dans le groupe du professeur Qimiao Si, a développé un nouveau modèle théorique capable de combiner les phénomènes de criticité quantique et de topologie.
« En réalité, il s'avère qu'une représentation particulaire n'est pas nécessaire pour générer des propriétés topologiques », explique Bühler-Paschen. « Le concept peut en effet être généralisé : les distinctions topologiques émergent alors de manière plus abstraite et mathématique. De plus, nos expériences suggèrent que des propriétés topologiques peuvent même apparaître en l'absence d'états de type particulaire. »
Cette découverte a d'importantes implications pratiques, car elle ouvre la voie à une nouvelle stratégie d'identification des matériaux topologiques. « Nous savons désormais qu'il est pertinent, voire particulièrement pertinent, de rechercher des propriétés topologiques dans les matériaux critiques quantiques », affirme Bühler-Paschen.
« Étant donné que le comportement critique quantique se manifeste dans de nombreuses classes de matériaux et peut être identifié avec fiabilité, ce lien pourrait permettre la découverte de nombreux nouveaux matériaux topologiques émergents. »
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RESUME
Un nouvel état de la matière découvert dans un matériau quantique.
Un matériau quantique présentant un comportement critique quantique, où la description particulaire des électrons est inadaptée, a révélé des états topologiques robustes, mis en évidence par un effet Hall spontané à basse température. Ceci démontre que des propriétés topologiques peuvent exister sans quasi-particules bien définies, indiquant que la définition des états topologiques devrait être généralisée au-delà du modèle particulaire conventionnel.
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COMMENTAIREu
Une onde oscilant entre deu types de formes ????Pourquoi pas!
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Publication details
Kirschbaum, D.M., et al. Emergent topological semimetal from quantum criticality, Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w, www.nature.com/articles/s41567-025-03135-w
Journal information: Nature Physics
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