Matériaux topologiques : finalement pas si exotiques

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 un chercheur du CNRS1 . 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 référence2 . Sur 26 938 matériaux étudiés3 , 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.

• 1Nicolas Regnault, chercheur CNRS au Laboratoire de physique de l'ENS (CNRS/ENS/Sorbonne Université/Université Paris Diderot)
• 2Inorganic Crystal Structure Database : cette base de données contient la structure fine (positions des atomes), obtenue par cristallographie, de tous les matériaux inorganiques connus.
• 3Les matériaux dits « de haute qualité » de la base de données.