“L’état chiral bose-liquide” est une nouvelle phase de la matière

Dans les conditions de tous les jours, la matière peut être un solide, un liquide ou un gaz. Mais une fois que vous vous aventurez au-delà du quotidien – dans des températures proches du zéro absolu, des choses plus petites qu’une fraction d’atome ou qui ont des états d’énergie extrêmement bas – le monde semble très différent. “Vous trouvez des états quantiques de la matière très éloignés de ces franges”, explique Sedrakyan, “et ils sont beaucoup plus sauvages que les trois états classiques que nous rencontrons dans notre vie quotidienne.”

Sedrakyan a passé des années à explorer ces états quantiques sauvages, et il s’intéresse particulièrement à la possibilité de ce que les physiciens appellent la « dégénérescence des bandes », les « bandes de douves » ou la « frustration cinétique » dans la matière quantique en interaction forte.

En règle générale, les particules de tout système se heurtent les unes aux autres et, ce faisant, elles provoquent des effets prévisibles, comme des boules de billard qui se heurtent puis réagissent selon un schéma prévisible. Autrement dit, les effets et les particules sont corrélés. Mais dans un système quantique frustré, il existe des possibilités infinies qui découlent de l’interaction des particules – peut-être que la boule de billard lévite ou zoome à un angle impossible – et certaines de ces possibilités infinies peuvent conduire à de nouveaux états quantiques.

Ce que Sedrakyan et ses collègues ont fait, c’est concevoir une machine à frustration : un dispositif semi-conducteur bicouche. La couche supérieure est riche en électrons et ces électrons peuvent se déplacer librement. La couche inférieure est remplie de “trous”, ou d’endroits qu’un électron itinérant peut occuper. Ensuite, les deux couches sont extrêmement proches l’une de l’autre — proches interatomiques.

Si le nombre d’électrons dans la couche supérieure et les trous dans la couche inférieure étaient égaux, alors vous vous attendriez à voir les particules agir de manière corrélée, mais Sedrakyan et ses collègues ont conçu la couche inférieure de sorte qu’il y ait un déséquilibre local entre le nombre d’électrons et de trous dans la couche inférieure. “C’est comme un jeu de chaises musicales”, dit Sedrakyan, “conçu pour frustrer les électrons. Au lieu que chaque électron ait une chaise vers laquelle aller, ils doivent maintenant se brouiller et avoir de nombreuses possibilités d’où ils s’assoient”.

Cette frustration déclenche le nouvel état de bord chiral, qui présente un certain nombre de caractéristiques surprenantes. Par exemple, si vous refroidissez la matière quantique dans un état chiral jusqu’au zéro absolu, les électrons gèlent dans un schéma prévisible, et les particules émergentes à charge neutre dans cet état tourneront toutes dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Même si vous écrasez une autre particule dans l’un de ces électrons, ou si vous introduisez un champ magnétique, vous ne pouvez pas modifier son spin – il est étonnamment robuste et peut même être utilisé pour coder des données numériques de manière tolérante aux pannes.

Encore plus surprenant est ce qui se passe lorsqu’une particule extérieure s’écrase sur l’une des particules à l’état de bord chiral. Pour revenir à la métaphore de la boule de billard, vous vous attendriez à envoyer voler la boule de huit lorsque la boule blanche la heurte. Mais si les boules de billard étaient dans un état liquide de bose chiral, les 15 d’entre elles réagiraient exactement de la même manière lorsque la boule huit était frappée. Cet effet est dû à l’intrication à longue distance présente dans ce système quantique.

Il est difficile d’observer l’état liquide bose chiral, c’est pourquoi il est resté caché pendant si longtemps. Pour ce faire, l’équipe de scientifiques, comprenant les physiciens théoriciens Rui Wang et Baigeng Wang (tous deux de l’Université de Nanjing) ainsi que les physiciens expérimentaux Lingjie Du (Université de Nanjing) et Rui-Rui Du (Université de Pékin) ont conçu une théorie et une expérience qui utilisé un champ magnétique extrêmement puissant capable de mesurer les mouvements des électrons lorsqu’ils se précipitent vers les chaises.

“Sur le bord de la bicouche semi-conductrice, les électrons et les trous se déplacent avec les mêmes vitesses”, explique Lingjie Du. “Cela conduit à un transport de type hélicoïdal, qui peut être davantage modulé par des champs magnétiques externes à mesure que les canaux d’électrons et de trous sont progressivement séparés sous des champs plus élevés.” Les expériences de magnéto-transport révèlent donc avec succès le premier élément de preuve du liquide de bose chiral, que les auteurs appellent également “l’ordre topologique excitonique” dans l’article publié.

Ce travail a été soutenu par le National Key R&D Program of China, la National Natural Science Foundation of China, le Program for Innovative Talents and Entrepreneurs in Jiangsu, la Xiaomi Foundation, l’Académie chinoise des sciences et la National Science Foundation.