Des physiciens de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg ont découvert une nouvelle forme étonnante de comportement quantique. Dans les cristaux Kagome en forme d'étoile, du nom d'un motif traditionnel japonais tissé en panier de bambou, les électrons qui agissent habituellement comme une foule bruyante se synchronisent soudainement, formant une « chanson » collective qui évolue avec la forme du cristal. L'étude, publiée dans Naturerévèle que la géométrie elle-même peut régler la cohérence quantique, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour développer des matériaux où la forme définit la fonction.
Cohérence sans supraconductivité
La cohérence quantique – la capacité des particules à se déplacer de manière synchronisée comme des ondes qui se chevauchent – est généralement limitée à des états exotiques tels que la supraconductivité, où les électrons s'apparient et circulent de manière cohérente. Dans les métaux ordinaires, les collisions détruisent rapidement cette cohérence.
Mais dans le métal de Kagome CsV₃Sb₅, après avoir sculpté de minuscules piliers cristallins de quelques micromètres de diamètre et appliqué des champs magnétiques, l'équipe MPSD a observé des oscillations de résistance électrique de type Aharonov-Bohm. Montrant ainsi que les électrons interféraient collectivement, restant cohérents bien au-delà de ce que permettait la physique des particules uniques.
« Ce n'est pas ce que les électrons sans interaction devraient être capables de faire », déclare Chunyu Guo, l'auteur principal de l'étude. « Cela indique un état cohérent à plusieurs corps. »
Un état quantique sensible à la forme
Plus surprenant encore, les oscillations dépendaient de la géométrie du cristal. Les échantillons rectangulaires changeaient de motif à angle droit, tandis que les parallélogrammes le faisaient à 60° et 120°, correspondant exactement à leur géométrie. « C'est comme si les électrons savaient s'ils se trouvent dans un rectangle ou un parallélogramme », explique Philip Moll, directeur responsable du MPSD. « Ils chantent en harmonie et la chanson change avec la pièce dans laquelle ils se trouvent. »
Cette découverte suggère une nouvelle façon de contrôler les états quantiques : en sculptant la géométrie d'un matériau. Si la cohérence pouvait être façonnée plutôt que simplement observée, les chercheurs pourraient concevoir des matériaux qui se comporteraient comme des instruments accordés, où la structure, et non seulement la chimie, définit leur résonance. « Les métaux Kagome nous donnent un aperçu d'une cohérence à la fois robuste et sensible à la forme », explique Moll. « C'est un nouveau principe de conception auquel nous ne nous attendions pas. »
Une résonance plus large
Le réseau de Kagome a longtemps intrigué les scientifiques en raison de sa conception complexe de triangles et d'hexagones entrelacés, qui frustrent souvent géométriquement les électrons et donnent naissance à des phases exotiques de la matière.
Les découvertes récentes de l'équipe de Hambourg étendent ces effets du niveau atomique à l'échelle des dispositifs, démontrant que la géométrie influence le comportement quantique collectif des électrons. Tout comme une chorale résonne différemment dans une cathédrale que dans une salle de concert, les électrons de ces cristaux en forme d'étoile semblent produire un nouveau son, influencé non seulement par la disposition des atomes mais également par leur forme.
Actuellement, ce phénomène est limité aux laboratoires, où des faisceaux d’ions focalisés façonnent les cristaux en piliers de la taille d’un micromètre. Cependant, les implications de cette recherche sont considérables. « Une fois que la cohérence pourra être façonnée plutôt que simplement découverte, la frontière des matériaux quantiques pourrait passer de la chimie à l'architecture », explique Guo.
« Cela ouvre une nouvelle voie dans la conception de fonctionnalités quantiques pour l'électronique du futur en remodelant la géométrie des matériaux. »
