Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée. Chaque onde possède son propre moment de rotation — le moment pseudo-angulaire (MPA) — qui apparaît parce que le cristal est tordu dans l'espace.
Pendant longtemps, on a pensé que ce moment n'était important que lors de la création ou de l'absorption des ondes, et qu'il n'affectait pas leurs collisions mutuelles. Mais les auteurs de l'étude ont prouvé le contraire. Ils ont découvert que lors d'une rencontre entre trois ondes, leurs moments de rotation doivent s'additionner selon une règle stricte, comme dans un relais où le témoin se transmet sans perte. Si les moments ne correspondent pas, la collision est interdite, même si les énergies et les impulsions sont compatibles. C'est comme une danse où les partenaires tournent dans des directions opposées : ils ne peuvent tout simplement pas se tenir la main.
Pour vérifier cette hypothèse, les chercheurs ont pris un cristal de tellure en spirale parfait et ont recalculé sa conductivité thermique à l'aide d'un modèle informatique. Ils n'ont modifié ni les forces de liaison entre les atomes, ni les fréquences de vibration — ils ont simplement ajouté la règle de conservation du moment trouvée. Le résultat a été stupéfiant : à température ambiante, la chaleur s'est écoulée 5,3 fois plus vite, et à 400 K, l'effet ne s'est presque pas atténué. Dans une autre expérience, sur un cristal chiral volumique (où les molécules sont asymétriques en miroir), la prise en compte de la même règle a augmenté la conductivité thermique calculée de 24 % — exactement l'écart qui existait entre les calculs précédents et les mesures en laboratoire.
Cette découverte change notre façon de concevoir la gestion de la chaleur dans la microélectronique et les nanomatériaux. Si l'on parvient à activer ou désactiver cette règle — par exemple en modifiant légèrement la torsion du cristal — on pourrait créer des diodes thermiques, où la chaleur ne circule que dans un sens, ou des dissipateurs de chaleur ultra-efficaces pour les processeurs. L'escalier en colimaçon d'atomes, qui semblait n'être qu'une jolie structure, s'avère être la clé du code thermique de la nature.
Le tellure est l'un des rares éléments dont les atomes s'organisent spontanément en chaînes en spirale. Si l'on regarde un tel cristal le long de son axe, il ressemble à un engrenage à trois dents.
Dans le roman de Larry Niven, « L'Anneau-Monde », les ingénieurs contrôlent les flux de chaleur d'une planète entière grâce à des réseaux supraconducteurs — la découverte de règles cachées de diffusion de la chaleur dans les matériaux tordus rapproche un peu cette idée de la réalité.