Des physiciens dirigés par Lu Li à l'Université du Michigan ont découvert des oscillations quantiques provenant du volume d'un matériau isolant, remettant en question de longues hypothèses en physique. Cette découverte, publiée dans Physical Review Letters, suggère une nouvelle dualité où les matériaux peuvent se comporter à la fois comme des métaux et des isolants. Ce phénomène bizarre a été observé à l'aide de puissants aimants au National Magnetic Field Laboratory.
Lu Li, professeur de physique à l'Université du Michigan, et une équipe internationale de scientifiques ont mis au jour des oscillations quantiques dans la capacité thermique de l'isolant Kondo d'ytterbium borure (YbB12). Ces oscillations, typiquement observées dans les métaux où les électrons agissent comme de minuscules ressorts vibrant dans des champs magnétiques, étaient auparavant débattues dans les isolants : qu'elles proviennent de la surface ou du volume intérieur.
Les chercheurs ont mené des expériences au National Magnetic Field Laboratory, en utilisant des aimants jusqu'à 35 Tesla — environ 35 fois plus puissants qu'une IRM hospitalière. Leurs résultats, détaillés dans Physical Review Letters (2025 ; 135 (15)), confirment que les oscillations sont intrinsèques au volume du matériau, et non un simple effet de surface.
"J'aimerais pouvoir affirmer qu'il y a une grande application, mais mon travail repousse continuellement ce rêve plus loin," a déclaré Li. "Mais ce que nous avons trouvé reste vraiment bizarre et excitant."
La découverte pointe vers une "nouvelle dualité" en physique, semblable à la dualité onde-particule de la lumière et de la matière découverte il y a plus d'un siècle. Li a expliqué : "En substance, nous montrons que cette image naïve où nous imaginions une surface avec une bonne conduction utilisable en électronique est complètement fausse. C'est l'ensemble du composé qui se comporte comme un métal même s'il s'agit d'un isolant."
La collaboration a impliqué plus d'une douzaine de scientifiques de six institutions aux États-Unis et au Japon, y compris Kuan-Wen Chen et des étudiants diplômés Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan et Kaila Jenkins de l'Université du Michigan.
"Pendant des années, les scientifiques ont cherché la réponse à une question fondamentale sur l'origine des porteurs dans cet isolant exotique : provient-elle du volume ou de la surface, intrinsèque ou extrinsèque ?" a déclaré Chen. "Nous sommes ravis de fournir une preuve claire qu'il s'agit du volume et intrinsèque."
Zhu a ajouté : "Confirmer que les oscillations sont du volume et intrinsèques est excitant. Nous ne savons pas encore quel type de particules neutres sont responsables de l'observation. Nous espérons que nos résultats motivent d'autres expériences et travaux théoriques."
Li a admis : "J'aimerais savoir quoi en faire, mais à ce stade nous n'avons aucune idée. Ce que nous avons maintenant est une preuve expérimentale d'un phénomène remarquable, nous l'avons enregistré et, espérons-le, à un moment donné, nous réaliserons comment l'utiliser."
Le projet a été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis, le Département de l'Énergie des États-Unis, l'Institute for Complex Adaptive Matter, la Gordon and Betty Moore Foundation, la Japan Society for the Promotion of Science et la Japan Science and Technology Agency.