Une équipe de recherche internationale découvre un nouvel état quantique


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  • Une eau qui ne gèlera tout simplement pas, quelle que soit sa température – un groupe de recherche impliquant le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a découvert un état quantique qui pourrait être décrit de cette manière. Des experts de l’Institut de physique du solide de l’Université de Tokyo au Japon, de l’Université Johns Hopkins aux États-Unis et de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes (MPI-PKS) à Dresde, en Allemagne, ont réussi à refroidir un matériau à une température proche du zéro absolu. Ils ont découvert qu’une propriété centrale des atomes – leur alignement – ne « gelait » pas, comme d’habitude, mais restait dans un état « liquide ». Le nouveau matériau quantique pourrait servir de système modèle pour développer de nouveaux capteurs quantiques très sensibles. L’équipe a présenté ses conclusions dans la revue Physique naturelle.

    À première vue, les matériaux quantiques ne semblent pas différents des substances normales – mais ils font certainement leur propre chose : à l’intérieur, les électrons interagissent avec une intensité inhabituelle, à la fois les uns avec les autres et avec les atomes du réseau cristallin. Cette interaction intime se traduit par de puissants effets quantiques qui agissent non seulement à l’échelle microscopique, mais aussi à l’échelle macroscopique. Grâce à ces effets, les matériaux quantiques présentent des propriétés remarquables. Par exemple, ils peuvent conduire l’électricité sans aucune perte à basse température. Souvent, même de légers changements de température, de pression ou de tension électrique suffisent à modifier radicalement le comportement du matériau.

    En principe, les aimants peuvent également être considérés comme des matériaux quantiques ; après tout, le magnétisme est basé sur le spin intrinsèque des électrons dans le matériau. « À certains égards, ces spins peuvent se comporter comme un liquide », explique le professeur Jochen Wosnitza du laboratoire magnétique à champ élevé (HLD) de Dresde au HZDR. « Lorsque les températures baissent, ces rotations désordonnées peuvent alors geler, un peu comme l’eau gèle dans la glace. » Par exemple, certains types d’aimants, appelés ferromagnétiques, sont non magnétiques au-dessus de leur « point de congélation », ou plus précisément de leur point d’ordre. Ce n’est que lorsqu’ils descendent en dessous qu’ils peuvent devenir des aimants permanents.

    Matériau de haute pureté

    L’équipe internationale avait l’intention de créer un état quantique dans lequel l’alignement atomique associé aux spins ne s’ordonne pas, même à des températures ultra-froides – semblable à un liquide qui ne se solidifiera pas, même par froid extrême. Pour atteindre cet état, le groupe de recherche a utilisé un matériau spécial – un composé des éléments, praséodyme, zirconium et oxygène. Ils ont supposé que dans ce matériau, les propriétés du réseau cristallin permettraient aux spins des électrons d’interagir avec leurs orbitales autour des atomes d’une manière particulière.

    « La condition préalable, cependant, était d’avoir des cristaux d’une pureté et d’une qualité extrêmes », explique le professeur Satoru Nakatsuji de l’Université de Tokyo. Il a fallu plusieurs tentatives, mais l’équipe a finalement réussi à produire des cristaux suffisamment purs pour leur expérience : dans un cryostat, une sorte de super thermos, les experts ont progressivement refroidi leur échantillon jusqu’à 20 millikelvin – juste un cinquantième de degré au-dessus zéro absolu. Pour voir comment l’échantillon réagissait à ce processus de refroidissement et à l’intérieur du champ magnétique, ils ont mesuré à quel point il changeait de longueur. Dans une autre expérience, le groupe a enregistré comment le cristal réagissait aux ondes ultrasonores directement envoyées à travers lui.

    Une interaction intime

    Le résultat : « Si les spins avaient été ordonnés, cela aurait dû provoquer un changement brusque dans le comportement du cristal, comme un changement soudain de longueur », décrit le Dr Sergei Zherlitsyn, expert de HLD en échographie. « Pourtant, comme nous l’avons observé, rien ne s’est passé ! Il n’y a eu aucun changement soudain dans sa longueur ou dans sa réponse aux ondes ultrasonores. » La conclusion: L’interaction prononcée des spins et des orbitales avait empêché l’ordre, c’est pourquoi les atomes sont restés dans leur état quantique liquide – la première fois qu’un tel état quantique était observé. D’autres investigations dans les champs magnétiques ont confirmé cette hypothèse.

    Ce résultat de recherche fondamentale pourrait également avoir un jour des implications pratiques : « À un moment donné, nous pourrions être en mesure d’utiliser le nouvel état quantique pour développer des capteurs quantiques très sensibles », spécule Jochen Wosnitza. « Pour ce faire, cependant, nous devons encore trouver comment générer systématiquement des excitations dans cet état. » La détection quantique est considérée comme une technologie prometteuse du futur. Parce que leur nature quantique les rend extrêmement sensibles aux stimuli externes, les capteurs quantiques peuvent enregistrer des champs magnétiques ou des températures avec une précision bien supérieure à celle des capteurs conventionnels.

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