07.09.2022 - Technische Universität Dresden

Une nouvelle fourrure pour le chat quantique

Matériaux quantiques : l'intrication de nombreux atomes est découverte pour la première fois

Qu'il s'agisse d'aimants ou de supraconducteurs, les matériaux sont connus pour leurs diverses propriétés. Cependant, ces propriétés peuvent changer spontanément dans des conditions extrêmes. Des chercheurs de la Technische Universität Dresden (TUD) et de la Technische Universität München (TUM) ont découvert un type entièrement nouveau de telles transitions de phase. Elles présentent le phénomène d'intrication quantique impliquant de nombreux atomes, qui n'avait auparavant été observé que dans le domaine de quelques atomes. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature.

Une nouvelle fourrure pour le chat quantique

En physique, le chat de Schroedinger est une allégorie de deux des effets les plus impressionnants de la mécanique quantique : l'intrication et la superposition. Des chercheurs de Dresde et de Munich ont maintenant observé ces comportements à une échelle bien plus grande que celle de la plus petite des particules. Jusqu'à présent, les matériaux présentant des propriétés telles que le magnétisme étaient connus pour avoir ce que l'on appelle des domaines, c'est-à-dire des îlots dans lesquels les propriétés des matériaux sont de manière homogène d'un type ou d'un autre (imaginez qu'ils soient noirs ou blancs, par exemple). En étudiant le fluorure de lithium et d'holmium (LiHoF4), les physiciens ont découvert une toute nouvelle transition de phase, au cours de laquelle les domaines présentent étonnamment des caractéristiques de mécanique quantique, ce qui a pour effet d'enchevêtrer leurs propriétés (ils sont noirs et blancs en même temps). "Notre chat quantique a maintenant une nouvelle fourrure, car nous avons découvert une nouvelle transition de phase quantique dans le LiHoF4, dont l'existence n'était pas connue auparavant", commente Matthias Vojta, titulaire de la chaire de physique théorique des solides au TUD.

Transitions de phase et intrication

Nous pouvons facilement observer les propriétés spontanément changeantes d'une substance si nous regardons l'eau : à 100 degrés Celsius, elle s'évapore en gaz, à zéro degré Celsius, elle gèle en glace. Dans les deux cas, ces nouveaux états de la matière se forment à la suite d'une transition de phase où les molécules d'eau se réarrangent, modifiant ainsi les caractéristiques de la matière. Des propriétés comme le magnétisme ou la supraconductivité apparaissent à la suite de transitions de phase subies par les électrons dans les cristaux. Pour les transitions de phase à des températures proches du zéro absolu à -273,15 degrés Celsius, des effets de mécanique quantique tels que l'intrication entrent en jeu, et on parle alors de transitions de phase quantiques. "Bien que plus de 30 années de recherches approfondies soient consacrées aux transitions de phase dans les matériaux quantiques, nous avions auparavant supposé que le phénomène d'intrication ne jouait un rôle qu'à l'échelle microscopique, où il ne concerne que quelques atomes à la fois", explique Christian Pfleiderer, professeur de topologie des systèmes corrélés à la TUM.

L'intrication quantique est l'un des phénomènes les plus étonnants de la physique, dans lequel les particules quantiques intriquées existent dans un état de superposition partagé qui permet à des propriétés habituellement mutuellement exclusives (par exemple, le noir et le blanc) de se produire simultanément. En règle générale, les lois de la mécanique quantique ne s'appliquent qu'aux particules microscopiques. Les équipes de recherche de Munich et de Dresde ont maintenant réussi à observer les effets de l'intrication quantique à une échelle beaucoup plus grande, celle de milliers d'atomes. Pour cela, elles ont choisi de travailler avec le composé bien connu LiHoF4.

Des échantillons sphériques pour des mesures de précision

À très basse température, le LiHoF4 se comporte comme un ferromagnétique où tous les moments magnétiques pointent spontanément dans la même direction. Si vous appliquez ensuite un champ magnétique exactement à la verticale de la direction magnétique préférée, les moments magnétiques changeront de direction, ce que l'on appelle des fluctuations. Plus l'intensité du champ magnétique est élevée, plus ces fluctuations sont fortes, jusqu'à ce que, finalement, le ferromagnétisme disparaisse complètement lors d'une transition de phase quantique. Cela conduit à l'enchevêtrement des moments magnétiques voisins. "Si vous tenez un échantillon de LiHoF4 devant un aimant très puissant, il cesse soudainement d'être spontanément magnétique. On le sait depuis 25 ans", résume Vojta.

Ce qui est nouveau, c'est ce qui se passe lorsque vous changez la direction du champ magnétique. "Nous avons découvert que la transition de phase quantique continue à se produire, alors que l'on pensait auparavant que la moindre inclinaison du champ magnétique la supprimait immédiatement", explique M. Pfleiderer. Dans ces conditions, ce ne sont toutefois pas des moments magnétiques individuels, mais de vastes zones magnétiques, appelées domaines ferromagnétiques, qui subissent ces transitions de phase quantiques. Ces domaines constituent des îlots entiers de moments magnétiques orientés dans la même direction. "Nous avons utilisé des échantillons sphériques pour nos mesures de précision. C'est ce qui nous a permis d'étudier précisément le comportement lors de petits changements dans la direction du champ magnétique", ajoute Andreas Wendl, qui a mené les expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat.

De la physique fondamentale aux applications

"Nous avons découvert un type entièrement nouveau de transitions de phase quantiques où l'intrication a lieu à l'échelle de plusieurs milliers d'atomes et non plus dans le microcosme de quelques-uns seulement", explique Vojta. "Si vous imaginez les domaines magnétiques comme un motif noir et blanc, la nouvelle transition de phase fait que les zones blanches ou noires deviennent infiniment petites, c'est-à-dire qu'elles créent un motif quantique, avant de se dissoudre complètement." Un modèle théorique récemment développé explique avec succès les données obtenues lors des expériences. "Pour notre analyse, nous avons généralisé les modèles microscopiques existants et avons également tenu compte de la rétroaction des grands domaines ferromagnétiques sur les propriétés microscopiques", explique Heike Eisenlohr, qui a effectué les calculs dans le cadre de sa thèse de doctorat.

La découverte des nouvelles transitions de phase quantiques est importante en tant que fondement et cadre de référence général pour la recherche des phénomènes quantiques dans les matériaux, ainsi que pour de nouvelles applications. "L'intrication quantique est appliquée et utilisée dans des technologies telles que les capteurs quantiques et les ordinateurs quantiques, entre autres choses", explique Mme Vojta. Pfleiderer ajoute : "Notre travail se situe dans le domaine de la recherche fondamentale, qui peut toutefois avoir un impact direct sur le développement d'applications pratiques, si l'on utilise les propriétés des matériaux de manière contrôlée."

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