Un désordre qui ne gêne pas : la topologie dans un film mince express
Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer. Mais dans un film mince de seulement 65 nanomètres d'un composé de fer et de silicium (ε-FeSi), il en va tout autrement.
Dans ce matériau, on a découvert un effet Hall anormal robuste : une tension transversale apparaît sans aucun champ magnétique externe et ne change pas lors du refroidissement de 200 K jusqu'aux températures les plus basses. Cette constance rappelle l'aiguille d'une boussole qui pointe toujours vers le nord, même si l'on secoue et retourne la boussole. C'est une indication directe que l'effet naît non pas de la diffusion sur les défauts, mais de la géométrie interne des nuages électroniques — ce que l'on appelle la phase de Berry (la torsion de la fonction d'onde de l'électron lors d'un parcours fermé dans le cristal).
Des mesures supplémentaires ont révélé une autre caractéristique typique des semi-métaux de Weyl — des matériaux où les électrons se comportent comme des particules sans masse avec une « chiralité » (hélicité) définie. Dans la magnétorésistance et l'effet Hall planaire, une anomalie chirale est apparue : lorsque les champs électrique et magnétique sont parallèles, le nombre d'électrons d'une certaine « chiralité » cesse d'être conservé, créant une contribution inhabituelle au courant. À partir de l'amplitude de la conductivité de Hall anormale, on a même pu estimer la distance entre deux points de Weyl dans l'espace des impulsions — environ 0.36 en unités conventionnelles.
Le film de ε-FeSi s'est avéré être un adversaire inattendu pour le désordre. Son caractère topologique survit à température ambiante et ne nécessite pas de métaux rares coûteux. Cela ouvre la voie à des dispositifs bon marché et fiables utilisant des propriétés quantiques dans des conditions ordinaires. Ainsi, le motif en mosaïque des grains ne détruit pas du tout la danse subtile des électrons — il lui ajoute seulement de la robustesse.
L'effet Hall anormal dans ce film est si stable qu'on pourrait l'utiliser comme étalon de résistance : la conductivité reste constante sur une large plage de températures, comme si elle était figée.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Les Enfants d'Icare », les extraterrestres utilisent des matériaux à la géométrie interne inhabituelle pour contrôler la gravité. Les semi-métaux topologiques représentent un pas vers le contrôle des électrons par la géométrie de leurs états quantiques.