Métal en chaînes

Si l'on regardait profondément dans trois corps solides différents avec un super-microscope, on y verrait en principe toujours la même chose : Des noyaux atomiques disposés dans un réseau cristallin, et des électrons qui tournent en partie autour des noyaux atomiques et en partie dans l'ensemble du réseau cristallin.

Il se pourrait néanmoins que ces matériaux se comportent de manière totalement différente lorsqu'on leur applique une tension électrique. Dans ce cas, le premier solide conduirait bien le courant électrique, le deuxième serait un isolant parfait et le troisième serait peut-être un semi-conducteur - un matériau dont la conductivité augmente avec la température (au lieu de diminuer, comme c'est le cas pour les métaux) et qui est utilisé comme matière première pour les transistors et les puces informatiques.

Des physiciens réunis autour de Manfred Sigrist, Alexey Soluyanov et Andreas Rüegg de l'Institut de physique théorique de l'ETH Zurich viennent de prédire l'existence d'un nouveau type de solide, qu'ils appellent "métal à chaînes nodales" et qui devrait avoir des propriétés inconnues jusqu'à présent. Les chercheurs ont déjà identifié un candidat potentiel parmi les substances connues.

Structure de bande et énergie de Fermi

Deux grandeurs déterminent essentiellement si et comment un corps solide conduit l'électricité : sa structure de bande et son énergie de Fermi. La structure de bande se réfère aux états d'énergie possibles que les électrons peuvent prendre en son sein. Alors qu'un électron libre accumule de plus en plus d'énergie cinétique au fur et à mesure qu'il se déplace rapidement, les électrons intégrés dans un réseau cristallin ne peuvent prendre que des valeurs d'énergie qui se situent dans certains intervalles ou "bandes". Cela résulte de leur nature ondulatoire en mécanique quantique, qui a également pour conséquence que certaines valeurs de l'énergie cinétique sont "taboues" pour les électrons ; on parle alors de bandes interdites.

L'énergie de Fermi, quant à elle, résulte du fait que les électrons sont des particules dites fermioniques, dont deux ne peuvent jamais occuper le même état énergétique. Si l'on construisait le solide morceau par morceau, chaque nouvel électron ajouté, en partant de zéro, chercherait à remplir progressivement des niveaux d'énergie de plus en plus élevés. L'énergie du dernier électron est alors l'énergie de Fermi.

Il est désormais facile de prédire si un matériau donné est un métal ou un isolant si l'on connaît ses bandes d'énergie et son énergie de Fermi : si l'énergie de Fermi se situe dans une bande, les électrons les plus énergétiques peuvent se déplacer facilement et conduire ainsi le courant électrique. En revanche, si elle coïncide avec une bande interdite, on a affaire à un isolant. D'autres substances encore, bien qu'étant en fait des métaux, n'ont que peu d'états énergétiques possibles au niveau de l'énergie de Fermi. "Le matériau que nous avons prédit est, si l'on veut, un cousin de ces soi-disant semi-métaux", explique Tomàš Bzdušek, un doctorant de Sigrist et Soluyanov.

Nœuds dans le semi-métal

Le graphène est un semi-métal qui a fait la une des journaux. La manière particulière dont les bandes d'énergie des électrons du graphène se rapprochent les unes des autres aux points dits de Dirac est à l'origine de la conductivité électrique et thermique inhabituelle de ce matériau, dont les découvreurs ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 2010. Comme la bande interdite disparaît complètement aux points de Dirac, on les appelle aussi des nœuds (par analogie avec les nœuds d'une onde stationnaire). Dans d'autres semi-métaux, les bandes d'énergie ne se touchent pas en des points isolés, mais le long de certaines lignes ou surfaces.

"La particularité de notre nouveau matériau est que ses bandes d'énergie se touchent le long de nœuds enchaînés les uns aux autres, et ces nœuds forment une chaîne", explique Sigrist. "Cela peut paraître étrange et très théorique, mais nous avons effectivement trouvé un matériau réel qui est probablement de cette nature. L'apparition de telles chaînes de nœuds dans un matériau n'est pas un hasard, mais est déterminée par les symétries de son réseau cristallin".

Les physiciens peuvent d'ailleurs établir ici un parallèle intéressant entre les solides et la physique des particules de haute énergie. Dans les théories des hautes énergies, les chaînes de nœuds seraient impossibles en raison du haut degré de symétrie du vide. Dans un cristal, en revanche, il y a beaucoup moins de symétries, ce qui crée une sorte de nouveau vide.

Trouver le matériau de la chaîne de nœuds a été un travail assidu, qui n'a abouti qu'après des détours. Pensant que cela serait plus facile, les chercheurs ont d'abord cherché des matériaux avec un seul nœud et ont calculé théoriquement les propriétés de symétrie que devrait avoir le réseau cristallin d'une telle substance.

Au total, 230 types différents de symétries cristallines sont connus, et ces symétries déterminent en grande partie la nature de la structure de bande d'un matériau. Soluyanov et ses collègues ont ensuite passé au peigne fin les bases de données en ligne (ICSD - Inorganic Crystal Structure Database), qui répertorient des milliers de solides connus et leurs structures cristallines. Ils sont finalement tombés sur un qui n'avait pas seulement un nœud, mais même la chaîne de nœuds la plus compliquée : le tétrafluorure d'iridium. "C'était une surprise inattendue", admet Quan Shen Wu, qui fait partie de l'équipe de l'ETH.

Un prototype possible

Cette substance peu connue et peu utile jusqu'à présent pourrait être le prototype d'un nouveau type de matériaux présentant éventuellement des propriétés intéressantes d'un point de vue technologique. Les physiciens zurichois prédisent par exemple que la conductivité de tels corps solides devrait être influencée de manière caractéristique par des champs magnétiques. Ce phénomène est également connu sous le nom de magnétorésistance et joue un rôle important dans les technologies de stockage modernes. En outre, la structure de bande du tétrafluorure d'iridium présente des particularités qui ont été mises en relation avec la supraconductivité à haute température. "Tout cela est bien sûr très tiré par les cheveux", admet Sigrist. L'étude expérimentale de ces nouveaux métaux à chaîne nodale reste toutefois à faire, et des surprises sont tout à fait possibles.