Transfert ultra-rapide de données, supraconductivité: les matériaux quantiques offrent d’importantes perspectives technologiques, à condition de pouvoir les comprendre à l’échelle atomique. Une équipe de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’Université de Salerne, l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone et le Centre national de recherche italien, a réussi à observer la «métrique quantique» dans un isolant topologique — une propriété géométrique unique au sein de ces matériaux qui ne conduisent l’électricité qu’en surface. Publiés dans Nature Materials, ces travaux représentent une avancée significative vers la maîtrise des matériaux du futur.
Tous les matériaux ne conduisent pas l’électricité de la même manière. Cette différence dépend du comportement des électrons qui les composent. Parmi eux, les isolants topologiques, découverts en 2006, intriguent particulièrement les scientifiques. Ces matériaux bloquent le passage du courant électrique à l'intérieur, comme des isolants classiques, tout en le laissant circuler à leur surface.
Ce phénomène s’explique par les propriétés particulières des électrons présents à leur surface. Celles-ci pourraient s’avérer utiles pour l’électronique du futur, notamment dans le domaine de l’informatique quantique. L’une de ces propriétés, appelée «métrique quantique», permet de décrire les propriétés géométriques de l’espace dans lequel les électrons se déplacent.
Nouvelle observation de la «métrique quantique»
En 2025, l’équipe d’Andrea Caviglia, professeur ordinaire au Département de physique de la matière quantique (DQMP) de la Section de physique de la Faculté des sciences, avait mesuré empiriquement cette propriété, jusque-là uniquement théorique. L’expérience avait été conduite sur un matériau quantique composé de titanate de strontium et d’aluminate de lanthane. Aujourd’hui, dans une nouvelle étude conduite avec l’Université de Salerne, l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone et le Centre national de recherche italien, l’équipe d'Andrea Caviglia annonce avoir observé ce même effet dans un isolant topologique en trois dimensions. Cette première observation ouvre la voie à un meilleur contrôle des propriétés électriques des matériaux de nouvelle génération.
«Il existe plusieurs familles d’isolants topologiques», explique Giacomo Sala, collaborateur scientifique au DQMP de l’UNIGE et premier auteur de l’étude. «Celui que nous avons utilisé ici se compose d’antimoine et de tellure, deux métalloïdes aux propriétés intermédiaires entre les métaux et les non-métaux. Il s’agit de l'un des isolants topologiques les plus étudiés jusqu’à présent et ses applications s’annoncent prometteuses».
Vers une meilleure maîtrise des nouveaux matériaux
«Ces nouveaux résultats étendent et confirment nos précédentes observations, obtenues sur un matériau très différent. En outre, ils démontrent que les effets liés à la métrique quantique peuvent être contrôlés électriquement», se réjouit Andrea Caviglia, qui a dirigé ces travaux. «L’ensemble de la communauté scientifique dispose désormais d’une nouvelle propriété pour explorer les matériaux du futur, en particulier pour examiner comment les propriétés géométriques des électrons peuvent révéler la nature profonde de ces matériaux.» À terme, ils pourraient supplanter les technologies actuelles utilisées pour le transfert, le traitement et le stockage des données.