Au cœur des matériaux quantiques, les interactions entre un grand nombre d'électrons font émerger de nouvelles particules aux propriétés surprenantes. Les supraconducteurs à haute-température critique ou encore les liquides de spin quantiques sont autant d’exemples qui démontrent le potentiel révolutionnaire qu’acquièrent les électrons lorsqu’ils collaborent au sein de la matière. Les applications pourraient aller de la production d’énergie au transport de l’information quantique. Cependant, la détection de ces particules émergentes se butte aux limites des outils expérimentaux actuels. C’est dans ce contexte qu’une nouvelle sonde expérimentale de pointe a vu le jour : l’effet Hall thermique. En quelques mots, l'effet Hall thermique représente la déviation d'un courant de chaleur par un champ magnétique.
Lors de la conférence j’introduirai pourquoi le déplacement de chaleur est une sonde de choix pour révéler l’existence des particules émergentes prédites par la théorie. Je partagerai les récents résultats les plus spectaculaires du domaine des liquides de spin quantiques, avec entre autres la quantification de l’effet Hall thermique dans le matériau α-RuCl3 [1,2], synonymes de la présence des fermions de Majorana, ces particules longtemps recherchées pour être leur propre antiparticule.
Puis j’expliquerai comment, alors que l’effet Hall thermique cochait alors toutes les cases du succès dans le domaine des liquides de spin quantiques, la même technique expérimentale révélait un phénomène complétement inattendu provenant de particules bien connues et communes à tous les matériaux : les phonons. Les phonons sont le déplacement des vibrations atomiques au cœur des matériaux, ils ne portent pas de charge et ne devraient pas se coupler à un champ magnétique. Pourtant il devient étonnamment évident que les phonons peuvent également produire un effet Hall thermique important dans un large éventail de matériaux quantiques, incluant les célèbres oxydes de cuivre supraconducteurs [3,4].
Je montrerai combien ce voyage de découvertes fortuites grâce à l’effet Hall thermique a ouvert un nouveau champ de recherche passionnant. Mais aussi je détaillerai pourquoi la découverte de cet effet Hall thermique des phonons appelle peut-être à rebattre les cartes dans le domaine des liquides de spin quantiques [5,6,7]. À la fin de la présentation, je présenterai une technique thermique de nouvelle génération que je développe à l’Université Cornell qui permettra de sonder les matériaux quantiques en conditions extrêmes. J'espère alors convaincre que le transport de chaleur est une sonde unique et à fort potentiel pour conduire la recherche de nouveaux états de la matière.
Références
[1] Kasahara et al, Nature 559, 277 (2018).
[2] Yokoi et al., Science 373, 6554 (2021)
[3] Grissonnanche et al., Nature 571, 376 (2019)
[4] Grissonnanche et al., Nat. Phys. 16, 1108 (2020)
[5] Lefrançois et al., Physical Review X 12, 021025 (2022)
[6] Hirokane et al. PRB 99, 134419 (2019)
[7] Hentrich et al. PRB 99, 085136 (2019)
