Fusion topologique d'un cristal

L’introduction de la topologie, une branche des mathématiques axée sur les propriétés des « nœuds » dans la physique a donné jour à des concepts révolutionnaires tels que les phases topologiques de la matière et les transitions de phase topologiques qui ont été récompensées par le Prix Nobel de physique en 2016.

Les skyrmions magnétiques, des « nano-tourbillons » de spin - qui doivent leur nom au physicien des particules T. Skyrme - et dont la topologie est unique (c'est-à-dire des configurations d’enroulement, Fig. 1), ont été au centre de l’attention au cours de la dernière décennie en raison de leur importance en physique fondamentale de nouvelle génération. Ces nano-tourbillons, dénommés aussi quasi-particules (à l’inverse des particules de matière réelle telles que les atomes et les électrons) peuvent former des structures cristallines, c'est-à-dire qu'ils s'arrangent de manière périodique et symétrique, de la même manière que les atomes dans un cristal de quartz.

De notre expérience de la vie quotidienne, nous savons qu'un solide cristallin, comme la glace, peut fondre sous l'effet de la chaleur. On peut aussi relever que toutes ces transitions de fusion se font en une seule étape, à savoir directement de l'état solide à l'état liquide. Cependant, dans le contexte de la transition de phase topologique aboutissant à un cristal très fin, un processus de fusion peut avoir lieu en deux étapes, en passant par une phase topologique appelée phase hexatique. À quoi ressemble une telle phase topologique, et comment se déroule le processus de fusion?

Aujourd’hui, des physiciens de l’EPFL ont découvert un moyen de visualiser la totalité du processus de fusion, et leur recherche a été publiée dans Nature Nanotechnology. Des chercheurs du Laboratory for Quantum Magnetism (LQM), du Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering (LUMES), du Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) et le Crystal Growth Facility de l’EPFL ont démontré que les cristaux de skyrmion présents dans le composé Cu₂OSeO₃ peuvent être fondus en faisant varier le champ magnétique en deux étapes, chaque étape étant associée à un type spécifique de défauts topologiques.

Panneau supérieur : configuration du spin d'un skyrmion. Panneau inférieur : Tessellation de Voronoï de configurations représentatives du réseau de Skyrmion dans les phases solide, hexatique et liquide respectivement. Crédit : Huang Ping (XJTU)

Les chercheurs ont utilisé une technique de pointe appelée microscopie électronique en transmission (LTEM) qui permet de produire des textures magnétiques en résolution nanométrique pour visualiser des skyrmions intégrés dans une dalle très mince de cristal de Cu₂OSeO₃ à -250 degrés Celsius. En variant le champ magnétique, ils ont enregistré des images et des vidéos importantes. Une analyse quantitative complète a permis de mettre en évidence deux nouvelles phases, la phase hexatique et la phase liquide des skyrmions. De nouvelles phases de la matière recèlent souvent des possibilités de fonctionnalités nouvelles, et ce travail, en les visualisant clairement, ouvre la voie à un travail de R&D plus poussé.

Autres collaborateurs

• Université de Cologne