semimétal de Weyl

Le monde quantique est plein de surprises : si l'on échange deux électrons, leur fonction d'onde commune ne change que de signe, et si l'on échange deux photons, il ne se passe rien du tout. Mais il existe des particules qui, lorsqu'elles échangent leurs places, se comportent tout à fait différemment — comme si elles se souvenaient d'avoir été permutées.

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

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.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

Imaginez un manège avec deux types de sièges : les uns tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, les autres dans le sens inverse. Si on pousse tous les sièges d'un coup, le manège tressaute mais reste sur place.

Deux fines feuilles sur lesquelles sont dessinées des alvéoles sont superposées puis légèrement pivotées. Un nouveau motif apparaît : un moiré, semblable aux reflets de la soie. C'est à peu près ce que font les électrons dans l'expérience : ils s'organisent en deux couches, et l'une se retrouve pivotée de 30 degrés exactement par rapport à l'autre.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

Dans le monde quantique, les électrons peuvent se comporter comme des ondes. Si on leur crée des conditions particulières, ces ondes commencent à ressentir quelque chose qui ressemble à la gravité. Dans les cristaux appelés semi-métaux de Weyl, les électrons se déplacent comme s'ils étaient sans masse, et leur énergie dépend de la direction, à la manière d'un cône incliné.

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.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

Une clé USB classique stocke des bits dans des pièges à électrons, mais on ne peut les lire qu'à travers un fil et un amplificateur séparés. Dans cette nouvelle avancée, un même morceau de tellure semi-métallique joue à la fois le rôle de stockage et de lampe.

La chaleur et l'électricité vont généralement de pair, mais faire en sorte que la chaleur se transforme en courant n'est pas une mince affaire.

Un panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.

Jetez une pierre dans un étang : les cercles se propagent régulièrement puis s'estompent. Les ondes gravitationnelles, nées de la fusion de trous noirs, se comportent différemment : même après le passage de l'onde principale, il reste une « queue » faible.

Un métal, c'est une mer d'électrons qui se déplacent presque librement, n'entrant en collision que de temps en temps. Mais dans certains matériaux, cette mer devient soudainement visqueuse et imprévisible : les électrons cessent de se comporter comme des particules indépendantes. Les physiciens appellent cet état « non liquide de Fermi », et il reste encore une énigme.

Dans les cristaux bidimensionnels, les électrons et les trous (des places vides chargées positivement) s'attirent et forment des paires — des excitons.

Une secousse brusque sur un cordon torsadé y envoie une onde en spirale. De même, une impulsion laser ultra-courte dans un cristal de RhSi engendre une lumière instantanément enroulée en tire-bouchon tridimensionnel.

Si l'on chauffe une extrémité d'un conducteur et que l'on maintient l'autre froide, les électrons commencent à se déplacer du chaud vers le froid. Cela crée généralement une tension le long du conducteur, comme l'eau qui s'écoule dans une gouttière inclinée. Mais dans certains matériaux, les électrons dévient latéralement, et la tension apparaît en travers.

Le noyau d'un atome a généralement une forme bien définie – allongée comme un melon, ou aplatie comme une citrouille. Mais le silicium-30 se comporte différemment : il semble incapable de décider quelle forme adopter.

Une feuille plate de matériau d'un atome d'épaisseur ne peut conduire le courant que par ses bords, comme l'eau qui s'écoule le long des rebords d'un plateau plutôt qu'à travers le centre. Dans une nouvelle étude, des physiciens ont montré que ces « lits » de bord peuvent être réarrangés simplement en faisant pivoter un axe magnétique invisible à l'intérieur de la feuille.

Un matériau d'une épaisseur d'un atome et d'une pureté record – un seul atome étranger par million – devient le théâtre d'un phénomène étonnant. Lorsqu'on le refroidit presque au zéro absolu, les électrons à l'intérieur, tels des musiciens d'orchestre, se figent dans un ordre strict, formant un cristal.

Les électrons dans un conducteur se comportent généralement comme un gaz : ils se déplacent de manière chaotique, entrent en collision, ne tiennent pas en rang.