Des chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Université de Salerne et l'Institut CNR-SPIN, ont apporté une contribution majeure à la physique de la matière condensée en fournissant des preuves expérimentales d'une propriété géométrique fondamentale au cœur des matériaux quantiques. Cette découverte, publiée dans la prestigieuse revue Science en 2025, éclaire la manière dont les électrons se déplacent dans ces matériaux, un phénomène comparé à la façon dont la gravité courbe la lumière.
Au cœur de cette avancée se trouve le concept de « métrique quantique », un outil qui quantifie la courbure de l'espace quantique que les électrons habitent. Bien que cette structure géométrique ait été théoriquement envisagée pendant plus de deux décennies, c'est la première fois que ses effets concrets sont détectés expérimentalement. Cette observation marque une étape significative, ouvrant la voie à une compréhension plus profonde de la physique quantique et à des applications technologiques révolutionnaires.
L'étude s'est concentrée sur l'interface entre le titanate de strontium (SrTiO₃) et l'aluminate de lanthane (LaAlO₃), un système connu pour ses propriétés électroniques uniques. En soumettant ces matériaux à des champs magnétiques intenses, les scientifiques ont réussi à altérer la trajectoire des électrons, révélant ainsi l'influence subtile mais cruciale de la métrique quantique. Ces travaux confirment que la métrique quantique n'est pas une simple curiosité mathématique, mais une propriété intrinsèque à de nombreux matériaux quantiques, remettant en question les hypothèses antérieures sur la conception des matériaux.
La capacité à contrôler les chemins électroniques grâce à cette géométrie quantique est essentielle pour le développement de dispositifs électroniques de nouvelle génération, notamment pour l'informatique ultra-rapide et la transmission d'énergie à haut rendement. L'analogie avec la relativité générale est frappante: de même que les corps massifs courbent l'espace-temps, la métrique quantique courbe l'espace abstrait des électrons, influençant leur mouvement et leurs interactions. Cette perspective ouvre des horizons pour la création de dispositifs exploitant ces propriétés géométriques à des fréquences térahertz, indispensables pour les communications avancées et le traitement de l'information quantique.
De plus, la recherche met en lumière l'importance de la « verrouillage spin-impulsion », où l'orientation du spin d'un électron est intrinsèquement liée à sa direction de mouvement. L'interaction entre le spin et l'impulsion sous l'influence de la métrique quantique modifie de manière inattendue les propriétés de transport électronique. Ces modifications pourraient être déterminantes pour la réalisation de dispositifs spintroniques surpassant les technologies semi-conductrices actuelles.
Les implications de cette découverte s'étendent également à la supraconductivité et aux interactions lumière-matière. Les matériaux dotés d'une géométrie quantique non triviale pourraient présenter des propriétés supraconductrices altérées, menant potentiellement à des températures critiques plus élevées ou à de nouveaux mécanismes d'appariement. La manipulation des trajectoires électroniques via les effets de la métrique quantique peut également améliorer le couplage photon-électron, un aspect crucial pour le développement de dispositifs quantiques photoniques plus efficaces.
Cette recherche fait ainsi le pont entre la physique fondamentale et la technologie appliquée, promettant d'accélérer l'innovation dans de multiples domaines. La détection de ces effets de métrique quantique, bien que subtile, a été rendue possible grâce à des techniques de pointe, notamment l'application de champs magnétiques intenses et la surveillance du comportement des électrons à l'échelle atomique. L'approche multidisciplinaire, combinant physique théorique, synthèse de matériaux avancés et mesures de haute précision, témoigne de l'effort collaboratif nécessaire pour dévoiler ces phénomènes quantiques complexes.
Cette avancée intervient à un moment où l'accent mondial est mis sur l'informatique quantique et les composants électroniques ultra-rapides. Les matériaux conçus avec des attributs géométriques quantiques pourraient offrir une mobilité de charge supérieure, une dissipation d'énergie réduite et une stabilité opérationnelle améliorée, inaugurant un nouveau paradigme où les principes géométriques quantiques deviennent des paramètres de conception essentiels pour les technologies futures.