Une étude publiée dans Nature Communications a révélé que les électrons dans le pentatellurure de zirconium (ZrTe5) sont fondamentalement les adolescents rebelles du monde quantique. Lorsqu'ils sont soumis à des températures proches du zéro absolu et à des champs magnétiques assez puissants pour faire pleurer vos aimants de réfrigérateur, ces particules ont affiché des oscillations quantiques qui défient les attentes conventionnelles.

La recherche, menée par des scientifiques de l'Université de São Paulo (USP) au Brésil, du Laboratoire national de Los Alamos, de l'Université de Washington et d'autres institutions américaines, a combiné des expériences de transport électrique dans des champs magnétiques allant jusqu'à 60 teslas à des températures autour de 0,7 kelvin (-272,45 °C) avec des calculs théoriques détaillés. Parce que, vous savez, pourquoi ne pas repousser les limites de la physique tant que vous y êtes ?

« Ce travail élargit notre compréhension du transport des électrons dans des phases exotiques de la matière et suggère que les isolants topologiques supportent le transport non seulement de la charge électrique, mais aussi d'un autre degré de liberté fondamental : le spin de l'électron », déclare Julio Larrea Jiménez, professeur à l'Institut de physique de l'USP et cofondateur/directeur du Laboratoire de la matière quantique sous conditions extrêmes.

Larrea a été le directeur de thèse de Cauê Kaufmann Ribeiro, premier auteur de l'étude, qui a effectué une grande partie du travail expérimental lors d'un stage au Laboratoire national des champs magnétiques intenses à Los Alamos, soutenu par une bourse de stage de recherche à l'étranger de la FAPESP, et co-encadré par Johanna Palmstrom et Sean Thomas.

Les isolants topologiques sont les originaux de la science des matériaux : leur intérieur est un isolant électrique, mais leur surface conduit l'électricité. Cela est dû à la topologie de leurs bandes électroniques, qui sont protégées par les symétries cristallines. ZrTe5 est particulièrement spécial car il se situe près de la frontière entre différentes phases topologiques, ce qui signifie que de petits changements de température, de déformation mécanique, de composition chimique ou de champ magnétique peuvent modifier radicalement son comportement électronique. C'est l'équivalent quantique d'un artiste lunatique.

Lorsque les électrons se déplacent dans un champ magnétique, leurs énergies sont restreintes à des valeurs discrètes appelées niveaux de Landau, nommés d'après Lev Landau (1908-1968). Dans les métaux purs, ces niveaux peuvent traverser à plusieurs reprises le niveau de Fermi, produisant des oscillations de la résistance électrique connues sous le nom d'oscillations de Shubnikov-de Haas, qui suivent normalement un schéma prévisible en 1/B (B étant le champ magnétique). Mais ZrTe5 n'a pas reçu ce mémo.

Les chercheurs ont découvert que ses oscillations de magnétorésistance n'étaient pas conventionnellement périodiques en 1/B et continuaient bien au-delà de la limite quantique, où les électrons devraient être coincés dans le niveau de Landau le plus bas et où les oscillations devraient disparaître. Au lieu de cela, les oscillations ont persisté, comme une mauvaise habitude.

« Dans les matériaux proches des transitions de phase topologiques, les électrons peuvent cesser de se comporter comme des particules ordinaires dans un métal », explique Kaufmann. « Leurs excitations électroniques commencent à se comporter comme des quasiparticules similaires aux fermions de Dirac - des particules relativistes. Dans notre travail, nous montrons que le spin de ces quasiparticules joue un rôle central : lorsque nous appliquons des champs magnétiques forts, l'interaction entre le spin et le champ magnétique modifie profondément les niveaux d'énergie des électrons. En conséquence, les niveaux de Landau qui s'éloigneraient normalement de l'énergie pertinente du système peuvent « revenir » et la traverser à nouveau. Ce comportement inhabituel est ce que nous appelons les niveaux de Landau réentrants. »

Pour expliquer cela, les chercheurs proposent un processus appelé « back-bending » des niveaux de Landau, où certains niveaux se replient vers le niveau de Fermi et le traversent à nouveau, générant des oscillations supplémentaires dans un régime où elles ne devraient pas exister. Cela se produit en raison de l'interaction entre l'énergie cyclotron (due au mouvement orbital) et l'effet Zeeman (couplage spin-champ magnétique), qui sont intrigués dans des matériaux à forte interaction spin-orbite comme ZrTe5.

L'un des objectifs de l'étude était de déterminer si les oscillations anormales étaient dues à des effets à plusieurs corps (collectiv