En tant que personne qui étudie les matériaux, Lu Li sait que les gens veulent entendre parler des nouvelles applications et technologies passionnantes que ses découvertes pourraient permettre. Parfois, cependant, ce qu’il trouve est tout simplement trop étrange ou extrême pour avoir une utilisation immédiate.
En travaillant avec une équipe internationale de chercheurs, Li a réalisé l'un de ces derniers types de découvertes, détaillé dans Lettres d'examen physique.
« J'adorerais affirmer qu'il existe une application formidable, mais mon travail ne cesse de repousser ce rêve », a déclaré Li, professeur de physique à l'Université du Michigan. « Mais ce que nous avons découvert reste vraiment bizarre et excitant. »
La découverte concerne ce qu’on appelle les oscillations quantiques. Ces oscillations se retrouvent dans les métaux et peuvent être considérées comme un phénomène dans lequel les électrons du métal agissent comme des ressorts, a expliqué Li. En appliquant un champ magnétique, les chercheurs peuvent modifier la vitesse à laquelle ces ressorts électroniques bougent.
Mais au cours des dernières années, les chercheurs ont découvert les mêmes oscillations quantiques dans les isolants, des non-métaux qui ne conduisent généralement pas la chaleur ou l'électricité. Cela a conduit à une question qui a bloqué le domaine : ces oscillations proviennent-elles uniquement de la surface du matériau ou le comportement vient-il de l'intérieur de la masse du matériau ?
Du point de vue des applications, la surface serait la réponse la plus passionnante. Les scientifiques explorent déjà des matériaux appelés isolants topologiques, qui présentent des comportements semblables à ceux du métal à leurs surfaces tout en conservant une identité isolante dans leur masse, pour permettre de nouvelles technologies électroniques, optiques et quantiques.
Mais en travaillant avec le laboratoire d'aimants le plus grand et le plus puissant au monde, le Laboratoire national du champ magnétique, Li et ses collègues ont fourni la preuve que les oscillations quantiques proviennent de la masse.
« J'aurais aimé savoir quoi faire avec ça, mais à ce stade, nous n'en avons aucune idée », a déclaré Li. « Ce que nous avons actuellement est une preuve expérimentale d'un phénomène remarquable, nous l'avons enregistré et, espérons-le, à un moment donné, nous comprendrons comment l'utiliser. »
L'équipe comprenait plus d'une douzaine de collaborateurs issus de six institutions aux États-Unis et au Japon. En plus de Li, l'équipe comprenait le chercheur Kuan-Wen Chen et les étudiants diplômés Yuan Zhu, Guoxin Zhen, Dechen Zhang, Aaron Chan et Kaila Jenkins de l'UM.
Li aime considérer ce travail comme une exploration des frontières de ce qu'il appelle la « nouvelle dualité ». Dans ce contexte, la dualité originelle ou « ancienne » est apparue avec l’avènement de la mécanique quantique il y a plus d’un siècle. À cette époque, les scientifiques montraient que la lumière et la matière présentaient des comportements à la fois corpusculaires et ondulatoires. Cette idée s’est avérée cruciale, non seulement en physique fondamentale, mais aussi dans le développement de technologies telles que les cellules solaires et les microscopes électroniques, qui sont désormais monnaie courante.
Pour Li, la nouvelle dualité réside dans la capacité des matériaux à se comporter à la fois comme conducteurs et comme isolants. Pour explorer les oscillations quantiques dans ce contexte, son équipe a utilisé des expériences avec un matériau appelé borure d'ytterbium (YbB12) à l'intérieur d'un champ magnétique très puissant.
« En fait, nous montrons que cette image naïve selon laquelle nous imaginions une surface avec une bonne conduction pouvant être utilisée en électronique est complètement fausse », a déclaré Li. « C'est le composé entier qui se comporte comme un métal même s'il est un isolant. Malheureusement, ce comportement fou du métal ne se produit qu'à 35 Tesla, soit une intensité de champ magnétique qui est environ 35 fois supérieure à celle d'un appareil IRM. »
Ainsi, même si les applications ne sont pas immédiatement évidentes, les questions à poser ne manquent pas sur ce comportement et sur la manière dont les chercheurs pourraient en tirer profit dans des conditions moins extrêmes.
« Confirmer que les oscillations sont massives et intrinsèques est passionnant », a déclaré Zhu. « Nous ne savons pas encore quels types de particules neutres sont responsables de l'observation. Nous espérons que nos résultats motiveront d'autres expériences et travaux théoriques. »
