Quand les électrons chantent en harmonie - et détectent la forme de leur maison
Des chercheurs de Hambourg observent une cohérence quantique sensible à la forme dans des structures Kagome en forme d'étoile
Des physiciens de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg ont découvert une nouvelle forme frappante de comportement quantique. Dans les cristaux de Kagome en forme d'étoile - nommés d'après un motif traditionnel japonais de panier en bambou - les électrons qui se comportent habituellement comme une foule bruyante se synchronisent soudain, formant une "chanson" collective qui évolue en fonction de la forme du cristal. L'étude, publiée dans Nature, révèle que la géométrie elle-même peut régler la cohérence quantique, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour développer des matériaux où la forme définit la fonction.
Illustration de la cohérence électronique à longue portée
Copyright: Guo et al.
La cohérence sans supraconductivité
La cohérence quantique, c'est-à-dire 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 Kagome CsV₃Sb₅, après avoir sculpté de minuscules piliers cristallins de quelques micromètres de diamètre et appliqué des champs magnétiques, l'équipe du MPSD a observé des oscillations de résistance électrique de type Aharonov-Bohm. Cela montre que les électrons interfèrent collectivement et restent cohérents bien au-delà de ce que permet la physique des particules individuelles. "Ce n'est pas ce que des électrons qui n'interagissent pas devraient pouvoir faire", explique Chunyu Guo, auteur principal de l'étude. "Cela indique la présence d'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 ont changé de motif à angle droit, tandis que les parallélogrammes l'ont fait à 60° et 120°, ce qui correspond exactement à leur géométrie. "C'est comme si les électrons savaient s'ils se trouvaient dans un rectangle ou un parallélogramme", explique Philip Moll, directeur responsable du MPSD. "Ils chantent en harmonie et la chanson change en fonction de 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 peut être façonnée plutôt que simplement observée, les chercheurs pourraient concevoir des matériaux qui se comportent comme des instruments accordés - où la structure, et pas seulement la chimie, définit leur résonance. "Les métaux Kagome nous donnent un aperçu de la cohérence qui est à la fois robuste et sensible à la forme", déclare Moll. "C'est un nouveau principe de conception auquel nous ne nous attendions pas.
Une résonance plus large
Le réseau de Kagome intrigue depuis longtemps les scientifiques en raison de sa conception complexe de triangles et d'hexagones entrelacés, qui frustrent souvent les électrons sur le plan géométrique et donnent lieu à des phases exotiques de la matière. Les récentes découvertes de l'équipe de Hambourg étendent ces effets du niveau atomique à l'échelle des appareils, démontrant que la géométrie influence le comportement quantique collectif des électrons. Tout comme une chorale résonne différemment dans une cathédrale et dans une salle de concert, les électrons de ces cristaux en forme d'étoile semblent produire un nouveau son, influencé non seulement par l'arrangement des atomes, mais aussi par leur forme. Actuellement, ce phénomène est limité aux laboratoires, où des faisceaux d'ions focalisés façonnent des cristaux en piliers de taille micrométrique. Cependant, les implications de cette recherche sont d'une grande portée. "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 M. Guo, "Cela ouvre une nouvelle voie pour la conception de fonctionnalités quantiques pour l'électronique future en remodelant la géométrie des matériaux".
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Publication originale
Chunyu Guo, Kaize Wang, Ling Zhang, Carsten Putzke, Dong Chen, Maarten R. van Delft, Steffen Wiedmann, Fedor F. Balakirev, Ross D. McDonald, Martin Gutierrez-Amigo, Manex Alkorta, Ion Errea, Maia G. Vergniory, Takashi Oka, Roderich Moessner, Mark H. Fischer, Titus Neupert, Claudia Felser, Philip J. W. Moll; "Many-body interference in kagome crystals"; Nature, 2025-10-29
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