• On parle de matériaux qui conduisent l’électricité d’une façon particulière : sur leurs bords. Et de leurs propriétés. Des propriétés « topologiques » parce qu’elles sont reliées à certaines caractéristiques topologiques de l’échantillon (d’où leur nom, d’isolants topologiques). Quand on leur applique une différence de potentiel, ils sont isolants oui mais il y a quand même un faible courant d’électrons rien que sur les bords de l’échantillon !

Cette propriété avait été « découverte » par Von Klitzing (qui a été nobélisé en 1985). On théorisa. Les équations décrivent ce qui se passe. Mais sont-elles fiables et décrivent-elles toutes les propriétés? Alors il fallut modéliser. D’abord par la pensée. Ce sont les « simulateurs quantiques », imaginés par Richard Feynman dans les années 80. Leur avantage est qu’ils sont « clairs » et « propres »: des systèmes idéaux (ils épargnent au physicien les problèmes liés aux impuretés des vrais matériaux).

Dans ces systèmes, des ensembles d’atomes très froids miment, par leur comportement, ce qui se passe avec les électrons. On y retrouve « l’effet de bord » sus-mentionné: un courant observable.

Comme par ailleurs, ce modèle vérifie les propriétés connues de l’échantillon, déjà observées au laboratoire, on a de bonnes raisons de penser que les nouvelles propriétés observées grâce à ce modèle correspondent elles aussi à une réalité physique. Et ici, le modèle permet justement de « voir » les « états » de bord pour différents courants appliqués (ce qui n’est pas possible jusqu’ici dans la réalité physique).

Cette recherche, qui se situe entre la théorie pure et la modélisation objective, vient de paraître dans PNAS du 8 avril 2013. C’est une plongée dans les propriétés mêmes de la matière. En perspective : réaliser physiquement le simulateur quantique qui mimera des propriétés des électrons dans des matériaux particuliers par le truchement de ses vrais atomes froids.

Un détail : les isolants topologiques auront des applications dans les futurs ordinateurs quantiques.

Avec Nathan GOLDMAN, physicien, ULB, Service de physique des systèmes complexes et de mécanique statistique.