Un fil très fin fait d'un matériau spécial — l'isolant topologique — se comporte comme une rue en ville : l'intérieur est vide, et tout le trafic se fait sur les bords. Les électrons dans un tel fil ne se déplacent que sur la surface, comme des piétons sur le trottoir, sans s'aventurer sur la chaussée. Mais si la rue est en désordre — nids-de-poule, flaques, barrières de chantier — les piétons trébuchent, et les électrons se dispersent et se coincent.
Les scientifiques ont ajouté à ce tableau un champ magnétique traversant le fil, comme un flux de voitures réglé par un feu tricolore. Il s'avère que pour une certaine intensité de ce flux — la moitié d'un quantum de flux magnétique — le désordre cesse de gêner. Les électrons qui se coinçaient à chaque pas se mettent soudain à courir librement le long du bord du fil. C'est comme si tous les nids-de-poule du trottoir disparaissaient d'un coup et que les piétons marchaient d'un pas régulier.
Les chercheurs ont mesuré la distance qu'un électron peut parcourir sans se bloquer — cette distance s'appelle la longueur de localisation. Il s'avère qu'à proximité de cette valeur particulière du flux magnétique, la longueur de localisation augmente brusquement — comme si le trottoir devenait parfaitement plat sur des kilomètres. Étonnamment, cette propriété ne dépend ni de la quantité de désordre dans le fil, ni de l'énergie des électrons : on obtient toujours le même nombre caractérisant la transition.
Ce nombre est l'exposant avec lequel la longueur de localisation croît à l'approche du flux particulier. Il est égal à deux. Pour comparaison, dans un autre phénomène quantique bien connu — l'effet Hall quantique entier — cet exposant est différent. Cela signifie que la transition dans le nanofil topologique est organisée autrement, et c'est important pour comprendre comment contrôler les électrons à l'échelle nanométrique.
Pour une autre valeur du flux magnétique — un quantum entier — le comportement du fil change : à basse énergie des électrons, la conductivité diminue, tandis qu'à haute énergie, elle augmente au contraire. C'est comme si, sur la même rue, d'un coup apparaissaient des nids-de-poule supplémentaires, et d'un coup on posait un nouvel enrobé. Comprendre ces transitions aidera à créer des dispositifs électroniques plus fiables et plus rapides, où le courant circule sans pertes.
Les isolants topologiques ont été prédits théoriquement, puis découverts expérimentalement en 2007. Pour ces travaux, le prix Nobel de physique a été attribué en 2016.
Dans le roman de Neal Stephenson « Anathem », on trouve des matériaux aux propriétés quantiques inhabituelles qui rappellent les isolants topologiques.