Les Anyons comme Nouveau Lien Entre Supraconductivité et Magnétisme
La supraconductivité et le magnétisme sont considérés en physique comme des états de la matière presque incompatibles depuis des décennies. Dans la représentation classique des manuels, un supraconducteur expulse le champ magnétique de son intérieur, tandis que le désordre magnétique dans un matériau brise les fragiles paires d'électrons responsables de la supraconductivité. Cependant, au cours de l'année 2025, deux expériences indépendantes ont montré que ces deux mondes apparemment opposés peuvent néanmoins se rencontrer dans le même matériau. C'est précisément sur cette énigme qu'une équipe de physiciens théoriciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT) construit aujourd'hui son explication, en introduisant dans le jeu des quasiparticules exotiques : les anyons.
Les nouveaux travaux des physiciens du MIT, publiés le 22 décembre 2025 dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), proposent que dans les matériaux magnétiques bidimensionnels, les électrons peuvent se « fragmenter » en fractions d'eux-mêmes et former ainsi des anyons. Selon la théorie, à certains rapports de charge, ces anyons peuvent commencer à circuler sans résistance tout en conservant l'ordre magnétique du matériau. En d'autres termes, la supraconductivité dans ces systèmes pourrait naître non pas grâce aux paires de Cooper habituelles d'électrons, mais comme un mouvement collectif de quasiparticules fractionnées.
Deux Phénomènes Inattendus dans le Graphite et le MoTe2
L'impulsion pour ces nouveaux travaux théoriques est venue de découvertes expérimentales récentes. En mai 2025, l'équipe de Long Ju du MIT a annoncé avoir trouvé, dans une version particulièrement complexe du graphène, le graphène dit rhomboédrique composé de quatre ou cinq couches, un matériau qui est simultanément supraconducteur et magnétique. Dans ce système, à très basse température, les électrons forment un supraconducteur dit chiral : les paires d'électrons conduisent le courant sans résistance, mais simultanément leurs orbites portent un moment magnétique, de sorte que l'ensemble du matériau se comporte comme une sorte d'aimant supraconducteur.
Presque au même moment, d'autres équipes de recherche, principalement liées à l'Université de Princeton et à des institutions partenaires, étudiaient les conditions dans lesquelles des états quantiques topologiques apparaissent dans une bicouche torsadée de cristal semi-conducteur de ditellurure de molybdène (twisted bilayer MoTe2). Dans de telles structures moirées, l'apparition de l'effet Hall anomal quantique fractionnaire (FQAH) avait déjà été confirmée, dans lequel les électrons n'ont pas du tout besoin de champ magnétique externe pour s'organiser dans un état topologique à charge fractionnée.
De nouveaux résultats de 2024 et 2025 ont ajouté un autre élément surprenant à ce tableau : dans la même gamme de paramètres où l'effet FQAH apparaît, des signaux de supraconductivité ont également été enregistrés dans la bicouche torsadée de MoTe2. Certaines mesures suggèrent même que lors du dopage d'états avec une densité de charge effective d'environ deux tiers de la charge électronique, l'effet Hall anomal quantique entier réapparaît, entouré d'une étroite zone de comportement supraconducteur. C'est précisément cette combinaison de magnétisme, d'ordre topologique et de supraconductivité qui suggère que l'unité de travail fondamentale dans ces matériaux pourrait être des quasiparticules fractionnées : les anyons.
Le Troisième Type de Particules : Que sont réellement les Anyons ?
Dans la zoologie standard des particules, la nature connaît deux grandes « familles » de particules : les bosons et les fermions. Les bosons, dont le plus connu est le photon, aiment partager les mêmes états quantiques ; ils peuvent s'accumuler au même endroit dans l'espace et au même niveau d'énergie, ce qui permet des phénomènes comme la lumière laser ou le condensat de Bose–Einstein. Les fermions, tels que les électrons, les protons et les neutrons, se comportent de manière tout à fait opposée : en raison du principe d'exclusion de Pauli, chaque combinaison de nombres quantiques ne peut appartenir qu'à un seul fermion, ils se « poussent » donc mutuellement et s'évitent.
Les anyons constituent une troisième classe, beaucoup plus exotique. Ils n'apparaissent que dans des systèmes bidimensionnels, tels que des couches de matériaux ultra-fines ou des structures moirées, où la mécanique quantique permet un type de statistique totalement différent. Alors que l'échange de deux fermions ou bosons ne se reflète que dans le signe de la fonction d'onde, l'échange d'anyons peut ajouter une phase arbitraire à la fonction d'onde. C'est précisément à cause de cette liberté de comportement que le prix Nobel Frank Wilczek a proposé le nom « anyon » dans les années 1980 – parce que, en principe, « anything goes » (tout est possible).
Les anyons ne sont pas seulement des curiosités mathématiques. Dans les états Hall quantiques fractionnaires, qui se produisent dans les gaz d'électrons bidimensionnels sous champ magnétique fort, des charges ne portant qu'un tiers ou même un cinquième de la charge élémentaire de l'électron ont été détectées expérimentalement. Ces états quantiques fractionnés sont interprétés comme des formes d'excitation collective – les anyons – qui naissent de la corrélation complexe de nombreux électrons.
Ces dernières années, des états similaires, mais sans champ magnétique externe, ont été découverts dans des matériaux moirés, notamment dans le MoTe2 torsadé. L'effet FQAH y apparaît grâce aux propriétés topologiques des bandes dites de Chern et au ferromagnétisme spontané, de sorte qu'on suppose que des anyons à charge fractionnée y apparaissent également. Cela ouvre la possibilité d'étudier et de manipuler les anyons dans la matière solide dans des conditions nettement plus « pratiques » que dans les expériences classiques sur les hétérostructures semi-conductrices.
Une Vieille Idée de Supraconductivité Anyonique Reçoit une Nouvelle Chance
L'idée qu'un ensemble d'anyons puisse devenir supraconducteur n'est pas nouvelle. Dès la fin des années 1980, des théoriciens comme Robert Laughlin et Wilczek lui-même ont envisagé des scénarios dans lesquels les anyons, sous l'influence du magnétisme, s'organisent dans un état collectif sans résistance. Mais ces travaux sont restés longtemps au niveau de modèles élégants mais expérimentalement inaccessibles : le lien entre magnétisme et supraconductivité semblait trop peu probable, et le matériau concret dans lequel un tel état pourrait apparaître n'existait tout simplement pas.
Une série de découvertes dans le graphène rhomboédrique et le MoTe2 torsadé a renversé cette image. Dans le graphite, les expérimentateurs du MIT ont montré que dans le graphène rhomboédrique à cinq couches, il apparaît un supraconducteur chiral qui se comporte comme un aimant, bien que les supraconducteurs classiques repoussent les champs magnétiques. Dans le MoTe2, d'autres équipes, combinant mesures de transport et microscopiques, ont trouvé des conditions dans lesquelles la supraconductivité apparaît à côté ou immédiatement à proximité de l'état FQAH. Ainsi, la « trinité impossible » magnétique-supraconductrice est devenue un fait empirique et non plus seulement un rêve théorique.
C'est ici qu'entrent en scène Senthil Todadri et son doctorant Zhengyan Darius Shi. Leur article dans PNAS part de l'hypothèse que l'état FQAH dans le MoTe2 est une bonne description de départ des phases aval qui naissent par dopage – en insérant des porteurs de charge supplémentaires dans le système. Chaque nouvel électron qui entre dans un tel isolant topologique peut, en raison des fortes corrélations et de l'ordre topologique, se « fragmenter » en plusieurs anyons à charge fractionnée. La question est : comment ce gaz dilué d'anyons peut-il s'organiser à très basse température ?
Anyons Frustrés et Rôle Critique de la Charge 2/3
Dans leur modèle, les auteurs utilisent l'appareil mathématique de la théorie quantique des champs et des théories effectives de Chern-Simons pour décrire l'interaction des anyons dans un réseau bidimensionnel. Le résultat clé est que, selon la densité d'électrons dopés, deux types d'anyons apparaissent dans le système : les uns avec une charge d'environ e/3, et les autres avec une charge d'environ 2e/3, où e est la charge élémentaire de l'électron. Chacune de ces fractions porte également une interaction « statistique » spécifique – un facteur de phase quantique qui détermine comment les anyons se sentent en passant les uns à côté des autres.
Lorsque les anyons de charge e/3 dominent le système, leur répulsion statistique mutuelle conduit à une forte frustration quantique. Toute tentative d'un anyon pour se déplacer à travers le réseau rencontre la « résistance » de l'ensemble du collectif ; le système reste dans une sorte de phase métallique dans laquelle le courant circule avec une résistance finie, bien qu'inhabituelle. L'image est similaire à un métal ordinaire, sauf qu'au lieu des électrons, ce sont les quasiparticules fractionnées qui jouent le rôle principal.
La situation change radicalement lorsque les anyons de charge 2e/3 prévalent. Dans ce régime, comme le montre le modèle, les interactions statistiques entre anyons peuvent être efficacement « annulées » d'une manière similaire à la façon dont les champs magnétiques s'annulent dans un supraconducteur. Le résultat est un état collectif dans lequel les anyons s'organisent en un liquide quantique cohérent – un supraconducteur anyonique. Bien qu'il s'agisse d'un mécanisme microscopique totalement différent de celui d'un supraconducteur BCS conventionnel, la description mathématique peut être traduite dans le langage des « paires de Cooper d'anyons », ce qui conserve en quelque sorte l'intuition de la théorie habituelle de la supraconductivité.
Un autre détail intrigant de la théorie est la prédiction que la supraconductivité anyonique n'apparaît pas de manière homogène lors de sa formation. Au lieu d'une phase supraconductrice ordonnée et spatialement uniforme, le modèle propose une disposition de supercourants tourbillonnaires qui naissent spontanément dans des poches aléatoires à l'intérieur du matériau. Une telle supraconductivité « tachetée », liée aux propriétés topologiques du substrat, serait une signature expérimentale claire que des anyons, et non pas seulement des paires inhabituelles d'électrons ordinaires, agissent réellement en arrière-plan.
Vers une Nouvelle Phase de la Matière : La Matière Quantique Anyonique
S'il s'avère que c'est précisément ce mécanisme qui est responsable de l'apparition de la supraconductivité dans le MoTe2 torsadé – et peut-être dans d'autres matériaux moirés – la physique gagnera une toute nouvelle classe de phases de la matière. Todadri appelle ce régime hypothétique « matière quantique anyonique » : des états dans lesquels les porteurs de charge de base ne sont plus l'électron ou le trou, mais des objets fractionnés collectifs aux statistiques inhabituelles. Dans de tels matériaux, l'ordre magnétique, l'effet Hall topologique et la supraconductivité ne seraient pas des phénomènes distincts, mais des manifestations d'un même ordre quantique plus profond.
Il existe déjà toute une série de travaux théoriques tentant de cartographier les phases possibles résultant du dopage des isolants FQAH, notamment des supraconducteurs topologiques avec des modes de bord de Majorana et des phases dites « pair-density-wave » dans lesquelles l'amplitude de la densité de paire supraconductrice est modulée spatialement. Les nouveaux travaux du MIT sur la supraconductivité anyonique s'inscrivent logiquement dans cette ligne de recherche, mais se distinguent par leur tentative de lier directement des expériences concrètes dans le MoTe2 à la dynamique des excitations fractionnées.
Parallèlement à ce développement théorique, les expérimentateurs contrôlent de mieux en mieux les conditions dans les structures moirées. Dans le MoTe2 torsadé, il est aujourd'hui possible d'ajuster très précisément l'angle de torsion, la densité des porteurs, la température et les champs externes, ce qui ouvre un espace pour des tests ciblés du scénario anyonique. Par exemple, des mesures de supercourants à résolution spatiale pourraient vérifier s'il existe réellement des « flaques » locales de supraconductivité prédites par le modèle, tandis qu'une magnétométrie sensible pourrait détecter la réponse magnétique topologique simultanée.
Les Anyons et la Quête de Bits Quantiques Stables
Bien que l'objectif actuel des travaux de Senthil Todadri et Zhengyan Darius Shi soit d'expliquer des expériences concrètes, la motivation plus large est clairement liée aux ordinateurs quantiques. Les anyons – en particulier ceux ayant une statistique non linéaire, dite non-abélienne – sont considérés depuis longtemps comme des candidats idéaux pour des bits quantiques stables. Dans de tels systèmes, l'information serait stockée non pas dans l'état local d'une particule individuelle, mais dans l'ordre topologique global d'une collection d'anyons, ce qui protège naturellement l'état quantique des perturbations locales.
S'il s'avère qu'il est possible de créer de manière reproductible des supraconducteurs anyoniques dans des matériaux moirés, les chercheurs obtiendraient une plateforme tant attendue pour ce qu'on appelle l'informatique quantique topologique. Dans un tel scénario, les opérations logiques ne seraient pas effectuées par une impulsion classique sur un seul « qubit », mais par le « tressage » lent et géométriquement défini des trajectoires des anyons les uns autour des autres. La nature topologique de ce processus rend les résultats extrêmement robustes au bruit et aux imperfections, ce qui est l'un des principaux défis de la technologie quantique actuelle.
Pour l'instant, cependant, il ne s'agit que d'une étape théorique prometteuse. Les auteurs eux-mêmes soulignent que de nombreuses mesures supplémentaires sont nécessaires avant que leur image puisse être confirmée ou réfutée. Il est particulièrement important de distinguer la contribution des anyons des éventuelles phases exotiques des électrons ordinaires, qui produisent souvent des comportements inattendus dans les bandes topologiques bidimensionnelles. Mais le fait que nous ne parlions plus de scénarios purement spéculatifs, mais d'une théorie ancrée dans des expériences concrètes, fait de cette histoire l'une des plus passionnantes de la physique de la matière condensée contemporaine.
Que suit-il après les premières indications théoriques ?
Dans les mois et les années suivant la publication des travaux du MIT, un dialogue étroit entre théorie et expérience est attendu. Différents groupes ont déjà proposé des modèles alternatifs de supraconductivité anyonique dans les états FQAH dopés et ont analysé en détail les transitions entre la phase supraconductrice et les isolants Hall anomal quantiques rentrants dans le MoTe2 torsadé. La clé sera d'identifier des grandeurs mesurables – comme un motif spécifique de courants tourbillonnaires, une densité de charge inégale ou des modes de bord inhabituels – qui distinguent sans équivoque le scénario anyonique des explications concurrentes.
Quel que soit le résultat, il est déjà clair que les nouvelles découvertes de « supraconductivité magnétique » dans le graphène rhomboédrique et la combinaison de l'effet FQAH et de la supraconductivité dans le MoTe2 ont ouvert une toute nouvelle phase de recherche sur la matière quantique. La frontière entre magnétisme, isolants topologiques et supraconducteurs n'est plus aussi rigide qu'elle le paraissait autrefois. Dans cette nouvelle zone de chevauchement, les anyons s'imposent comme le langage naturel dans lequel les futures expériences et théories seront probablement écrites.
S'il s'avère que les anyons « anything-goes » sont effectivement le fondement de toute une série de phénomènes quantiques inattendus, des structures moirées de laboratoire aux nouveaux matériaux potentiels, la physique gagnera non seulement un ajout exotique supplémentaire à son encyclopédie, mais aussi un outil concret pour construire des technologies quantiques plus robustes. Le chemin vers de telles applications sera long et plein d'incertitudes, mais les derniers résultats montrent qu'au moins la première étape, conceptuellement cruciale, vient d'être franchie.
Sources :
- MIT News – Anything-goes “anyons” may be at the root of surprising quantum experiments (lien)
- MIT News – MIT physicists discover a new type of superconductor that’s also a magnet (lien)
- Nature – Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2 bilayer (lien)
- Science Advances – Anomalous superconductivity in twisted MoTe2 nanojunctions (lien)
- Anyon delocalization transitions out of a disordered FQAH insulator – arXiv preprint (lien)
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