Matériaux topologiques : vers une ingénierie topologique ?
Solide, liquide, gaz, plasma : ce sont différentes phases – ou états – dans lesquels peut se trouver la matière. Moins connues, les phases topologiques ont valu le prix Nobel de physique 2016 à leurs découvreurs, Thouless, Haldane et Kosterlitz. Ces nouveaux états de la matière ont des comportements surprenants : ainsi, les isolants topologiques ont la propriété d’être des isolants électriques en volume, alors qu’un courant électrique peut se propager sans résistance à leur surface. Jusqu’ici vues comme des curiosités de la nature, ces propriétés sont en fait bien plus répandues que prévu : elles concernent plus du quart des matériaux naturels inorganiques, comme vient de le montrer une équipe internationale incluant Nicolas Regnault, un chercheur du LPENS.
À partir d’une théorie appelée « chimie quantique topologique », qui prédit les propriétés topologiques des matériaux à partir de l’agencement de leurs atomes, les chercheurs ont développé plusieurs codes informatiques permettant de classifier tous les matériaux inorganiques présents dans une base de données de référence1.
Sur 26 938 matériaux étudiés2, 12 % se sont révélés des isolants topologiques, et 15 % des semi-métaux (l’autre grande classe de matériaux topologiques, intermédiaire entre isolants et métaux).
Les chercheurs souhaitent à présent prédire de nouveaux matériaux topologiques à l’aide de l’intelligence artificielle et de leur base de données. Cette découverte augure en tout cas un futur radieux pour ces matériaux, déjà pressentis pour jouer un rôle dans l’informatique quantique.
1Inorganic Crystal Structure Database : cette base de données contient la structure fine (positions des atomes), obtenue par cristallographie, de tous les matériaux inorganiques connus.
2 Les matériaux dits « de haute qualité » de la base de données.
Informations complémentaires :
Laboratoire de physique de l’ENS (ENS/CNRS/Sorbonne Université/Université Paris Diderot)
En savoir plus :
Vergniory et al., A complete catalogue of high-quality topological materials, Nature, 28 février 2019.
Catalogue de matériaux topologiques découverts connus à ce jour, réalisé par cette équipe scientifique : www.topologicalquantumchemistry.com
Communiqué écrit en collaboration avec le CNRS
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