Des chercheurs viennent d’identifier un état de la matière dans lequel topologie et criticité quantique apparaissent simultanément, défiant les théories traditionnelles sur le comportement des électrons.
Une équipe internationale, composée de chercheurs de l'Université technique de Vienne (TU Wien), en collaboration avec l'Université Rice au Texas, a étudié CeRu₄Sn₆, un cristal connu pour ses propriétés topologiques. En approchant le matériau d’un point critique quantique, là où les interactions électroniques deviennent extrêmement fortes, les scientifiques ont constaté que les fluctuations des électrons n’effacent pas les modes topologiques. Ces derniers restent discernables, même lorsque les quasi-particules ne conservent plus leur individualité classique.
Selon Silke Bühler‑Paschen, coauteure de l’étude, « Cela a été une énorme surprise. Cela montre qu’il faut définir les états topologiques de manière plus générale ».
La topologie reste visible malgré les fluctuations extrêmes des électrons
L’équipe a travaillé sur CeRu₄Sn₆, un cristal connu pour ses caractéristiques topologiques.
La topologie décrit la structure et la forme des états électroniques, indépendamment de transformations continues. Dans CeRu₄Sn₆, les chercheurs ont observé que ces modes topologiques persistent quand les électrons se comportent différemment de ce que la physique classique prévoit. Même en présence de fluctuations quantiques intenses, certaines signatures topologiques apparaissent de manière stable.
Les mesures ont été effectuées en ajustant la température et le champ magnétique du cristal. On voit clairement que certaines caractéristiques topologiques restent stables malgré les fluctuations quantiques. Cela démontre que la topologie peut coexister avec des états où les électrons ne peuvent plus être décrits individuellement. Cette observation fournit un aperçu inédit sur la façon dont la matière organise ses états quantiques et sur la robustesse de certains phénomènes topologiques.
La criticité quantique dans les cristaux froids
Pour atteindre le point critique quantique, CeRu₄Sn₆ a été refroidi à quelques kelvins. Un kelvin correspond à un degré au-dessus du zéro absolu, soit -273,15 °C, ce qui place le cristal dans un état extrêmement froid. À cette température, les interactions entre électrons deviennent si fortes que leur comportement classique disparaît. Malgré ce régime extrême, les propriétés topologiques restent mesurables et on voit clairement les modes topologiques.
Les chercheurs ont relevé des signatures d’un semi-métal topologique émergent, et donc démontré que la criticité quantique peut coexister avec des modes topologiques. Même quand les électrons ne peuvent plus être considérés comme des particules distinctes, certaines caractéristiques topologiques sont visibles dans les expériences. La topologie et la criticité se révèlent ainsi simultanément dans les paramètres testés, comme le champ magnétique et la température.
Cette coexistence a été observée uniquement dans CeRu₄Sn₆. Il s’agit de la première observation d’une phase de la matière combinant topologie et criticité quantique dans un cristal à interactions fortes. Les résultats restent strictement limités à ce matériau pour l’instant.
Source : Nature Physics, Science Daily
