Une collaboration française dirigée par Ben Wieder, un chercheur de l’IPhT, découvre des phases topologiques chirales dans des métaux sans ordre structurel, auparavant considérés comme dépourvus de propriétés topologiques.
Figure: Fermions chiraux amorphes. Fonctions spectrales de trois différents fermions chiraux en matière condensée, dans des modèles structurellement amorphes. Bien que les trois systèmes chiraux n’aient pas de symétrie exacte, ils présentent néanmoins des spectres topologiquement distincts qui peuvent être prédits en appliquant des méthodes de théorie des groupes à leur symétrie moyenne.
Les fermions comptent parmi les particules les plus importantes de la physique ; ils englobent aussi bien les électrons du quotidien que des variantes plus exotiques. Les fermions chiraux, à l’image des gants, existent en versions gauche et droite, et ont été envisagés il y a plus d’un siècle. Si les neutrinos de haute énergie — les principaux candidats au statut de fermions chiraux sans masse — se sont révélés dotés d’une masse, des cristaux solides quasi (semi-)métalliques hébergeant des équivalents électroniques de fermions chiraux sans masse ont été découverts il y a quinze ans.
Avec leurs états de conduction et de valence électroniques qui se recouvrent légèrement, les semimétaux se situent à mi-chemin entre les métaux et les isolants du point de vue de la conductivité. Les semimétaux topologiques (TSM, pour topological semimetals) se distinguent par des propriétés électroniques protégées par la structure géométrique de leurs fonctions d’onde électroniques, ce qui les rend résistants aux perturbations et en fait des bancs d’essai particulièrement prometteurs pour l’étude de réponses électroniques quantiques.
Les TSM chiraux se déclinent en deux variantes : avec ou sans chiralité structurale du réseau. Dans ses travaux postdoctoraux [2], Benjamin Wieder (IPhT) a montré que la chiralité structurale du réseau constitue un mécanisme ajustable permettant d’engendrer des phases TSM idéales. Ces travaux ont ouvert la voie à l’exploration d’applications pertinentes pour l’industrie, notamment la photoréponse énantiosélective (réponses induites par la lumière dépendant du caractère chiral — gauche ou droit — du matériau) et la catalyse chimique renforcée topologiquement.
Alors que la théorie prédisait que les phases TSM seraient détruites par un désordre modéré, ce qui exigerait des échantillons hautement cristallins, des expériences récentes ont montré que nombreuses propriétés électroniques avantageuses des matériaux TSM subsistent dans des phases structurales amorphes du même matériau.
Pour résoudre cette contradiction, Wieder a collaboré avec le groupe d’Adolfo Grushin à l’Université Grenoble Alpes. En utilisant les méthodes de la théorie des groupes de symétrie issues du projet ERC TopoRosetta de Wieder, l’équipe a découvert que les études antérieures avaient négligé le fait que les matériaux amorphes peuvent conserver un ordre chiral local. Leur percée : ensemble, l’ordre chiral local et la théorie des groupes permettent la conception de phases TSM chirales amorphes robustes. Publié comme Editors’ Suggestion dans Physical Review Materials (octobre 2026), cet article [1] remet radicalement en cause l’idée établie selon laquelle le désordre détruit inévitablement les états topologiques métalliques. L’équipe adapte aujourd’hui ces méthodes à des simulations ab initio visant des matériaux amorphes facilement accessibles.
[1] Phys. Rev. Materials 10, 104201 (2026), Editors’ Suggestion | arXiv:2512.19791