Découverte de l’enchevêtrement de nombreux atomes

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 qui affichent des propriétés telles que, par exemple, le magnétisme, étaient connus pour avoir ce qu’on appelle des domaines – des îlots dans lesquels les propriétés des matériaux sont homogènes soit d’un type soit d’un type différent (imaginez-les étant soit noirs ou blanc, par exemple). En regardant le fluorure de lithium holmium (LiHoF₄), les physiciens ont maintenant découvert une toute nouvelle transition de phase, au cours de laquelle les domaines présentent étonnamment des caractéristiques de mécanique quantique, ce qui entraîne l’intrication de leurs propriétés (étant noir et blanc en même temps). “Notre chat quantique a maintenant une nouvelle fourrure parce que nous avons découvert une nouvelle transition de phase quantique dans LiHoF₄ dont l’existence n’était pas connue auparavant », commente Matthias Vojta, président de la physique théorique du solide à la TUD.

Transitions de phase et intrication

Nous pouvons facilement observer les propriétés changeantes spontanées d’une substance si nous regardons l’eau : à 100 degrés Celsius, elle s’évapore en un 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 telles que le magnétisme ou la supraconductivité émergent à la suite de transitions de phase d’électrons dans les cristaux. Pour les transitions de phase à des températures approchant le zéro absolu à -273,15 degrés Celsius, des effets de mécanique quantique tels que l’intrication entrent en jeu, et on parle de transitions de phase quantiques. “Même s’il y a plus de 30 ans de recherches approfondies consacrées aux transitions de phase dans les matériaux quantiques, nous avions précédemment supposé que le phénomène d’intrication ne jouait un rôle qu’à l’échelle microscopique, où il n’impliquait 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, où les particules quantiques intriquées existent dans un état de superposition partagé qui permet à des propriétés généralement mutuellement exclusives (par exemple, noir et 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 sont désormais parvenues à observer les effets de l’intrication quantique à une échelle beaucoup plus large, celle de milliers d’atomes. Pour cela, ils ont choisi de travailler avec le composé bien connu LiHoF₄.

Les échantillons sphériques permettent des mesures de précision

A très basse température, LiHoF₄ agit comme un ferromagnétique où tous les moments magnétiques pointent spontanément dans la même direction. Si vous appliquez ensuite un champ magnétique exactement verticalement à 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 deviennent fortes, jusqu’à ce que, finalement, le ferromagnétisme disparaisse complètement lors d’une transition de phase quantique. Cela conduit à l’intrication des moments magnétiques voisins. “Si vous tenez un LiHoF₄ échantillon à un aimant très puissant, il cesse soudainement d’être magnétique spontanément. C’est connu 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 de se produire, alors que l’on croyait auparavant que même la plus petite inclinaison du champ magnétique la supprimerait immédiatement”, explique Pfleiderer. Dans ces conditions, cependant, ce ne sont pas des moments magnétiques individuels mais plutôt des zones magnétiques étendues, appelées domaines ferromagnétiques, qui subissent ces transitions de phase quantiques. Les domaines constituent des îlots entiers de moments magnétiques pointant 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 de 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 quantique où l’intrication a lieu à l’échelle de plusieurs milliers d’atomes au lieu de se limiter à quelques-uns seulement dans le microcosme”, explique Vojta. “Si vous imaginez les domaines magnétiques comme un motif noir et blanc, la nouvelle transition de phase conduit à ce 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 nouvellement développé explique avec succès les données obtenues à partir des expériences. “Pour notre analyse, nous avons généralisé les modèles microscopiques existants et avons également pris en compte 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 de 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”, explique Vojta. Pfleiderer ajoute : “Notre travail relève du domaine de la recherche fondamentale, qui peut toutefois avoir un impact direct sur le développement d’applications pratiques, si vous utilisez les propriétés des matériaux de manière contrôlée.”

La recherche a été soutenue financièrement par la stratégie d’excellence des gouvernements fédéral et des États allemands au sein du cluster d’excellence Würzburg-Dresden Complexity and Topology in Quantum Matter (ct.qmat) et du cluster of Excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST ). En outre, les travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche (ERC) via l’Advanced Grant ExQuiSid et par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) au sein des Collaborative Research Centers (SFB) 1143 et TRR80.