Dans un solide, les électrons sont généralement soit libres de se déplacer (métal), soit piégés sur place (isolant). Mais parfois, une forte répulsion mutuelle les enferme dans un état intermédiaire : les charges restent figées, tandis que les spins – ces petites aiguilles magnétiques – continuent de vivre leur vie. C'est ce qu'on appelle l'isolant de Mott.
Les auteurs de la nouvelle étude ont construit une chaîne unidimensionnelle d'atomes de deux types, A et B. Sur les sites A, un électron immobile repousse fortement ses voisins. Sur les sites B, les électrons sont mobiles. Après une projection mathématique, on obtient un réseau ne contenant que des sites B, mais avec une interaction inhabituelle : les électrons se ressentent à distance, selon une échelle d'impulsion particulière k*. En ajoutant une interaction antiferromagnétique J entre les spins des voisins, les scientifiques ont découvert la phase de semi-métal de Mott.
Les calculs numériques par diagonalisation exacte et groupe de renormalisation ont montré que l'état fondamental a une charge centrale c=3 – ce nombre caractérise les types de mouvements collectifs. Lorsque la symétrie est brisée, le semi-métal particule-trou se transforme progressivement en isolant, et la polarisation change brusquement d'exactement 1/2. Un tel saut est un signe clair d'une transition topologique.
Ces travaux fournissent le premier exemple fiable de semi-métal de Mott dans l'état fondamental. C'est un pas vers la compréhension de la façon dont des ingrédients simples – répulsion, interaction d'échange et symétries – donnent naissance à des phases exotiques avec séparation de charge et de spin.
La charge centrale c=3 signifie que trois types d'excitations sans masse coexistent dans le système – comme trois sortes de « lumière liquide » dans un même cristal.
Dans le roman « Spin » de Robert Charles Wilson, des particules hypothétiques transportent l'information sans matière – une idée proche du mode de spin neutre qui se déplace à travers le réseau sans toucher à la charge.