Découverte surprise d'une nouvelle particule

Lorsque le professeur de l'ETH Hermann Weyl a commencé à enseigner pendant un an à Princeton, aux ?tats-Unis, à l'automne 1928, le physicien quantique Paul Dirac avait publié peu de temps auparavant sa célèbre équation de l'électron. Cette formule décrivait les propriétés de ce que l'on appelle les fermions, des particules quantiques de spin semi-numérique, et inaugurait l'ère de la physique moderne des particules gr?ce à ses prédictions - entre autres sur l'antimatière. Weyl s'est rendu compte que l'équation de Dirac permettait en principe de trouver des solutions pour les particules qui n'ont pas de masse. En 1929, il a publié un article dans lequel il décrivait ces particules sans masse avec un spin semi-entier. Plus tard, elles furent appelées "fermions de Weyl".

Des physiciens de l'ETH Zurich, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Princeton aux Etats-Unis et de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, ont découvert une particule jusqu'alors inconnue, que leur illustre prédécesseur avait négligée dans ses calculs et qui était restée inaper?ue pendant près de quatre-vingt-dix ans par la suite. Ils ont baptisé cette particule "fermion de Weyl de type 2".

Recherche de nouvelles propriétés de matériaux

Les scientifiques sont tombés sur ce nouveau type de particules lorsque, à la recherche de propriétés physiques jusqu'alors inconnues, ils ont découvert des cristaux du métal ditellurure de tungstène (WTe₂). "En fait, nous recherchions en particulier dans le matériau des propriétés dites 'topologiques' qui rendraient certains états quantiques du matériau plus résistants aux perturbations", explique Alexey Soluyanov, scientifique au sein du groupe de recherche en physique computationnelle de l'ETH Zurich.

Afin de simuler les propriétés physiques des cristaux métalliques, les chercheurs ont fait tourner pendant 200,000 heures sur les supercalculateurs du Centre national de calcul des lignes à haute tension page externeCSCS à Lugano et l'Académie chinoise des sciences sont en cours de calcul. Après plusieurs semaines d'évaluation intensive, les scientifiques sont arrivés à la conclusion qu'ils avaient découvert quelque chose de tout à fait nouveau : Dans le cristal de tungstène-ditellurure, il devait y avoir un type de fermions inconnu jusqu'à présent, les fermions de type 2-Weyl.

D'abord en théorie, puis démontré

Même le fermion de Weyl "normal" n'existait au départ que dans la théorie. Pendant longtemps, on a supposé que les neutrinos pouvaient être des fermions de Weyl, mais les chercheurs ont ensuite découvert qu'ils possédaient une masse, même petite (pour la démonstration de laquelle le prix Nobel de physique a été décerné cette année). Cependant, on a continué à supposer que les fermions de Weyl pouvaient être présents en tant que quasi-particules (c'est-à-dire des états collectifs de nombreux électrons qui interagissent avec les noyaux atomiques dans le cristal) dans ce que l'on appelle les semi-métaux.

En juillet de cette année, les fermions sans masse qu'Hermann Weyl avait jadis prédits en théorie ont effectivement été mis en évidence expérimentalement à Princeton et à Pékin : Dans un cristal d'arséniure de tantale, les chercheurs ont trouvé des quasi-particules qui possédaient exactement les propriétés des fermions de Weyl. Leur absence de masse leur permet notamment de se déplacer extrêmement rapidement et de ne pas être perturbés par des obstacles dans le cristal. Les scientifiques spéculent déjà sur le fait que cela pourrait ouvrir de toutes nouvelles possibilités pour les composants électroniques.

La particule qui ne devrait pas exister

Les fermions de Weyl de type 2 qui viennent d'être découverts théoriquement se distinguent de ces fermions de Weyl traditionnels sur un point essentiel : ils ne devraient pas exister. Du moins pas si l'on admet, comme Hermann Weyl en son temps, que les fermions doivent respecter les règles de la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein et donc la symétrie de Lorentz. Dans la "vie sauvage", les particules doivent effectivement suivre ces règles. Dans l'univers artificiel d'un cristal, en revanche, la symétrie de Lorentz peut être rompue, de sorte que les états d'énergie possibles que peuvent prendre les électrons diffèrent nettement de ceux qui conduisent à la formation de fermions de Weyl normaux.

Ces états énergétiques particuliers pourraient à leur tour conférer aux matériaux contenant des fermions de Weyl de type 2 des propriétés curieuses et potentiellement utiles - par exemple la capacité de conduire le courant électrique uniquement dans certaines directions sous l'influence d'un champ magnétique. Reste à voir si ces propriétés passeront le test pratique. "Pour l'instant, le nouveau fermion de Weyl est une curiosité physique", admet également Soluyanov, "mais une curiosité très excitante - et il existe un potentiel certain pour des applications". Quoi qu'il en soit, après des décennies, les chercheurs ont enfin achevé les recherches de Hermann Weyl.