Quand une expérience remet en question les fondements même de la physique. Des chercheurs de l’université américaine de Princeton pensent avoir observé un état de la matière encore inconnu… qui laisse supposer l’existence d’un nouveau type de particules. Les scientifiques expliquent avoir mesuré des oscillations quantiques dans un matériau isolant. Un phénomène qui n’entre pas dans le cadre de la physique générale, autrement dit théoriquement impossible.
"Si nos interprétations sont correctes, nous sommes face à une nouvelle forme de matière quantique", émet Sanfeng Wu, premier auteur de la publication parue dans Nature, sur le site de l’université. Selon cet assistant-professeur de physique à Princeton, cette découverte laisse imaginer "tout un nouveau monde quantique caché dans les isolants".
Si cette découverte reste cantonnée à la recherche fondamentale, nul doute qu’elle participera au développement des futurs technologies quantiques, estiment les chercheurs.
Vers un supraconducteur à température ambiante
L’expérience qui a mené à cette découverte s’intéressait au ditellurure de tungstène (WTe2), un matériau "un peu à part" qui intéresse la communauté scientifique depuis quelques années, explique François Parmentier, chercheur spécialiste du graphène au SPEC, un laboratoire commun CEA-Iramis-CNRS. "Il a un certain nombre de propriétés surprenantes, estime-t-il. Selon les conditions électrostatiques, il peut être soit isolant, soit supraconducteur."
L’expérience visait à étudier le comportement de ce matériau sous forme bidimensionnelle, c’est-à-dire réduit à une feuille d’un atome d’épaisseur. Pour l’anecdote, ce type d’échantillon est obtenu à l’aide d’un simple scotch, utilisé pour exfolier le matériau jusqu’à ce qu’il n’en reste qu’une fine couche. Une méthode pour le moins artisanale, qui a valu en 2010 le prix Nobel de physique à Andre Geim et Konstantin Novoselov, de l’université de Manchester (Royaume-Uni).
Une fois réduits à une feuille d’une extrême finesse, certains matériaux adoptent des caractéristiques nouvelles. "En tournant un bouton, vous pouvez étudier des propriétés électroniques très différents sur un même échantillon", explique Preden Roulleau, lui aussi chercheur au SPEC. Une avancée encore récente qui participe notamment à accélérer les recherches vers un matériau supraconducteur à température ambiante, au potentiel révolutionnaire.
"La théorie actuelle n’explique pas cet état"
Ainsi, les chercheurs de Princeton ont refroidi leur échantillon à une température extrême, proche du zéro absolu (-273,15° Celsius) avant de l’exposer à un champ magnétique. Des conditions qui font habituellement apparaître – chez les matériaux conducteurs – des oscillations quantiques. Soit un état où les électrons du matériau passent d’un état "normal" à un état quantique, provoquant des oscillations de sa résistance.
Seulement, cet état est habituellement réservé aux métaux conducteurs, dans lequel les électrons sont libres de se déplacer. Et le ditellurure de tungstène, lors de l’expérience, s'avère extrêmement isolant. Pourtant, à ce moment-là, sa résistivité a changé, indiquant des variations de son état … Il se comporte donc en parfait conducteur, soumis à des oscillations quantiques.
"C’est extrêmement surprenant, abonde François Parmentier. Cela soulève beaucoup de questions." Les chercheurs à l’origine de la découverte font désormais face à un nouveau défi : expliquer cet état quantique encore jamais observé. "La physique théorique actuelle n’explique pas cet état, abonde Preden Roulleau. Ce sont des mesures expérimentales qui n’ont pas été démontrées, mais cela risque de secouer la théorie."
"De l’ingénierie au niveau de l’atome"
Dans leur publication, les physiciens américains envisagent déjà une hypothèse : l’existence de nouvelles particules, du même type qu’un électron, mais électriquement neutres. Cela pourrait expliquer les oscillations observées : dans un matériau isolant, les particules chargées négativement ou positivement ne peuvent se déplacer, c’est ce qui empêche la propagation d’un courant. Mais des particules neutres, elles, en auraient la capacité.
Reste que l’existence de ce nouveau genre de particule est complexe à prouver. "Ces modes neutres sont très compliqués à observer", affirme Preden Roulleau. Pour le duo de chercheurs, qui s’intéresse aux caractéristiques d’un matériau bidimensionnel plus connu que le WTe2, le graphène, cette publication relève dans tous les cas d’un intérêt majeur. "Lorsque l’on sent qu’un matériau a un potentiel important, il faut s’y intéresser", argue François Parmentier.
Les Français envisagent de se procurer du ditellurure de tungstène pour mener leurs propres expériences. "Il est évident que les matériaux en 2D se retrouveront dans énormément de composants électroniques dans quelques années, rappelle Preden Roulleau. Ce sont des systèmes extrêmement riches, qui permettent de faire de l’ingénierie au niveau de l’atome." Nul doute qu’avec ses propriétés surprenantes, le ditellurure de tungstène trouve sa place dans le domaine.
