Vous travailliez sur les semi-métaux de Weyl

En 2011, le physicien théoricien Anton Burkov étudiait l’influence des champs magnétiques sur un groupe de matériaux appelés « isolants topologiques ». Ces matériaux ne conduisent pas l’électricité en leur sein, mais peuvent le faire à leur en surface. Ils constituent un type de « matériau quantique », une catégorie plus large qui englobe des matériaux présentant toutes sortes de propriétés inhabituelles.

Lors d’une importante conférence sur la physique de la matière condensée cette année-là, il assista à une présentation sur une autre catégorie de matériaux quantiques, encore plus exotique, les « semi-métaux de Weyl », aussi fascinants scientifiquement que difficiles à créer.

« [Au cours cette conférence], j’ai vu une image qui ressemblait beaucoup à celles que j’avais générées lors de mes travaux sur les états de surface des isolants topologiques », a déclaré Burkov. « C’est ainsi que j’ai eu l’idée de créer un semi-métal de Weyl beaucoup plus simple. »

La structure électronique précise et extrêmement sensible des semi-métaux de Weyl les rend difficiles à produire et faciles à détruire. Leurs propriétés inhabituelles les rendent à la fois scientifiquement intéressants et potentiellement précieux pour des applications commerciales et industrielles.

Burkov, chercheur associé en matériaux quantiques à l’Institut Périmètre « Perimeter Institute (PI) » et professeur à l’Université de Waterloo, a collaboré avec son ancien directeur de recherche postdoctorale à un article décrivant comment il serait possible de réaliser une version particulièrement simple de ces matériaux (en théorie, la plus simple possible), non entravée par les détails complexes présents dans d’autres propositions.

« C’est l’article que j’ai écrit le plus rapidement. Cela n’a pris que quelques semaines, car l’idée était très simple », a-t-il déclaré.

Il a fallu près de 15 ans pour confirmer expérimentalement cette idée simple. La théorie est restée une théorie de 2011 à 2025, date à laquelle une équipe de chercheurs de l’Institut RIKEN au Japon a créé le premier semi-métal de Weyl idéal au monde, en utilisant la même méthode  que Burkov avait proposée.

Les états de la matière plus familiers, tels que les solides, les liquides et les gaz, sont définis par des propriétés telles que leur forme et/ou leur volume. Les semi-métaux de Weyl et autres matériaux similaires se distinguent quant à eux par leurs propriétés quantiques, notamment leur conductivité électrique (y compris la supraconductivité), leur réaction aux champs magnétiques, etc. Les matériaux de Weyl présentent un intérêt particulier pour les physiciens théoriciens, car ils contribuent à des domaines de recherche comme la théorie quantique des champs et le Modèle standard, qui classe toutes les particules élémentaires connues incluant les constituants fondamentaux de la réalité. 

En plus de leur intérêt théorique, les semi-métaux de Weyl pourraient avoir d’importantes applications pratiques si les chercheurs parvenaient à trouver des moyens plus simples de les produire, ils présentent un phénomène appelé effet Hall quantique anormal, qui pourrait les rendre utiles pour les dispositifs électroniques à faible consommation d’énergie. Leur réaction inhabituelle aux champs magnétiques les rend également précieux comme composants de capteurs de haute technologie, et leurs propriétés optoélectroniques peuvent les rendre utiles pour la génération et la détection du rayonnement térahertz. 

Burkov n’a jamais douté de la justesse de sa théorie, mais il savait que sa confirmation expérimentale serait difficile. Les semi-métaux de Weyl tirent leurs propriétés à des paires de « quasi-particules », issues d’interactions quantiques et présentant une chiralité opposée. Si elles entrent en collision, ces paires s’annihilent mutuellement, mais si elles conservent une distance entre elles, elles sont pratiquement indestructibles.

Cependant, même lorsque ces paires de quasi-particules peuvent être maintenues, leurs propriétés intéressantes peuvent être masquées par d’autres états électroniques présents dans le même matériau. Le défi pour l’équipe du RIKEN était de créer un matériau comportant des paires de ces « fermions de Weyl » sans masse, sans interférence d’autres états électroniques. Leurs résultats ont été publiés dans la revue  Nature au début de l’année 2025.

Bien que l’équipe du RIKEN ait travaillé sur ce problème depuis plus de quatre ans, Burkov n’a eu connaissance de leur projet que lorsqu’ils ont mis en ligne une version préliminaire de leur article sur le site de prépublication arXiv.

« Cela m’a surpris. Même si l’idée était théoriquement très simple, on pensait que sa réalisation expérimentale serait extrêmement difficile. C’est pourquoi, en réalité, personne n’a sérieusement envisagé cette voie », a-t-il déclaré.

Il explique que si le succès du groupe RIKEN représente une avancée majeure, son modèle suggère que ces matériaux pourraient encore être améliorés, rendant leurs qualités souhaitables plus distinctes et prononcées. Il subsiste en effet des problèmes liés aux « impuretés magnétiques » qui créent du désordre dans les réalisations actuelles.

« Ce qu’il faut faire, c’est essentiellement de rendre ces matériaux plus purs pour que les effets soient vraiment spectaculaires et utiles. Le matériau actuel n’est pas encore au point », a-t-il affirmé.

Il a néanmoins confié avoir ressenti une grande satisfaction professionnelle en voyant sa théorie confirmée en laboratoire après tant d’années.

« Cela m’a fait très plaisir », a-t-il dit. « J’étais heureux. »