En physique de la matière condensée, deux concepts régnaient jusqu'à présent sur des territoires bien distincts. D'un côté, la topologie, qui décrit des propriétés électroniques extrêmement stables et robustes, insensibles aux perturbations extérieures, un atout majeur pour l'informatique quantique.
De l'autre, la criticité quantique, un phénomène fascinant où un matériau hésite entre deux phases, un peu comme l'eau sur le point de geler, générant des fluctuations électroniques intenses.
La pierre angulaire de la topologie reposait sur une vision des électrons comme des particules bien définies, avec une vitesse et une énergie claires. Or, ce modèle s'effondre totalement dans un régime de criticité quantique.
Quand le modèle de la particule s'effondre
C'est précisément dans ce territoire inexploré qu'une équipe de l'Université technique de Vienne (TU Wien), en collaboration avec l'Université Rice au Texas, a fait une découverte majeure, publiée dans Nature Physics.
En étudiant un matériau composé de cérium, ruthénium et étain (CeRu₄Sn₆) à des températures extrêmement basses, à moins d'un degré du zéro absolu, ils ont observé un comportement stupéfiant.
Dans ces conditions extrêmes, le matériau entre dans un état quantique critique, où les électrons perdent leur caractère de particule individuelle.
Silke Bühler-Paschen, Diego Zocco et Diana Kirschbaum du TU Wien
Alors que la théorie prédisait l'impossibilité d'observer un phénomène topologique dans un tel contexte, les chercheurs ont détecté un signal sans équivoque : un effet Hall anormal spontané.
Cet effet, qui correspond à une déviation des porteurs de charge, est apparu sans aucun champ magnétique externe, signature caractéristique d'un état topologique.
Autrement dit, les électrons se comportaient collectivement de manière topologique, alors même que leur description individuelle comme particule n'avait plus de sens. Il s'agit là d'une véritable remise en question des modèles établis.
La topologie, plus robuste et générale que prévu
Cette observation prouve que les propriétés topologiques sont bien plus fondamentales et générales qu'on ne le pensait. Elles n'émergent pas nécessairement du comportement de particules bien définies, mais peuvent au contraire être générées par les interactions fortes et les fluctuations collectives propres à la criticité quantique.
« C'est une énorme surprise », confie Silke Bühler-Paschen, qui a dirigé les travaux à Vienne. « Nos expériences suggèrent que les propriétés topologiques peuvent même apparaître *parce que* les états de type particule sont absents ».
L'équipe de théoriciens de l'Université Rice, menée par Qimiao Si, a développé un nouveau modèle capable d'unifier ces deux phénomènes. Leurs calculs confirment que la criticité quantique elle-même peut être le moteur de la topologie.
Cet état hybride, baptisé « semi-métal topologique émergent », combine la robustesse de la topologie et l'intrication accrue de la criticité, deux qualités très recherchées pour la manipulation de l'information quantique. Les chercheurs ont même noté que l'effet topologique était le plus fort là où les fluctuations quantiques étaient les plus intenses.
Vers une nouvelle feuille de route pour les technologies quantiques
Au-delà de l'avancée théorique, cette découverte a des implications pratiques considérables. Elle fournit une nouvelle feuille de route pour identifier ou concevoir des matériaux aux propriétés quantiques exceptionnelles.
Plutôt que de chercher des états topologiques dans des systèmes où les interactions électroniques sont faibles, les scientifiques savent désormais qu'il est pertinent, et peut-être même plus fructueux, de les chercher au sein de matériaux critiques quantiques, plus nombreux et faciles à identifier.
Cette approche pourrait accélérer le développement de composants pour l'informatique quantique, les capteurs de haute précision ou l'électronique à faible consommation.
En comprenant comment exploiter cette synergie entre criticité et topologie, les physiciens espèrent débloquer de nouveaux comportements quantiques encore plus exotiques.
L'enjeu est désormais de systématiser cette recherche pour transformer une intuition théorique en technologies concrètes, exploitant les principes les plus profonds de la physique quantique.