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Posté par Redbran le Jeudi 10/05/2018 à 12:00
L’apparent calme intérieur des matériaux quantiques
Pour la première fois, des physiciens de l’UNIGE, de l’Université Grenoble Alpes, du CEA et du CNRS à Saclay et Grenoble ont confirmé une théorie sur les transitions de phase topologiques, un domaine de recherche initié par les prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des...) 2016.


La structure en hélice de BACOVO: les atomes d’oxygènes, représentés en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), sont organisés en octaèdres autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) des atomes de cobalt situés en leur centre. Les flèches bleues représentent les petits moments portés par les atomes de cobalt, ordonnés de façon anti-ferromagnétique le long de la chaîne en hélice. © CEA/CNRS/UGA

Les transitions entre différentes phases de la matière font partie de notre vie (La vie est le nom donné :) courante: l’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qui gèle passe ainsi de l’état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à l’état solide. Mais certaines de ces transitions peuvent avoir une nature différente, liées aux propriétés d’excitations dites topologiques, qui font agir collectivement l’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des particules. Le composé BACOVO, inconnu du grand public, est un matériau quantique unidimensionnel sur lequel se sont penchés des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE) et du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l’UGA, en collaboration avec des scientifiques des centres de neutronique ILL et PSI (Pour les articles homonymes, voir Psi et Psy.). Ils ont découvert dans ce matériau une nouvelle transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier...) topologique, non pas gouvernée par un seul, mais par deux types d’excitations topologiques. En outre, ils ont également pu sélectionner lequel dominerait l’autre grâce à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique et ainsi contrôler la transition. Leur recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) est à découvrir dans la revue Nature Physics.

Les chercheurs se sont appuyés sur les travaux du Prix Nobel de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) 2016, décerné aux physiciens David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, qui prédisent qu’un jeu d’excitations topologiques dans un matériau quantique est susceptible d’induire une transition de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). De nombreuses théories ont été élaborées sur ces excitations topologiques, notamment sur la possibilité d’en confronter deux dans un seul et même matériau. Mais est-ce possible ? Et si oui, que se passerait-il ? Les chercheurs ont pu apporter la première confirmation expérimentale de la théorie de l’existence de deux jeux simultanés d’excitations topologiques et de leur compétition. Une petite révolution dans le monde (Le mot monde peut désigner :) mystérieux des propriétés quantiques.

La théorie et l’expérience intimement liées

Les chercheurs du du CEA, du CNRS et de l’UGA travaillaient justement sur un matériau anti-ferromagnétique unidimensionnel aux propriétés particulières, nommé BACOVO (BaCo2V2O8). «Nous avons effectué différentes expériences sur BACOVO, un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) caractérisé par sa structure en hélice, expliquent en choeur Béatrice Grenier (Le grenier (latin granarium) est un local hors-sol destiné au stockage du grain. Il peut être intégré à un bâtiment, ou constituer une petite construction...), Sylvain Petit et Virginie Simonet, chercheurs aux CEA, CNRS et à l’UGA. Mais nous étions confrontés, dans nos résultats expérimentaux, à une transition de phase mystérieuse». C’est pourquoi leur équipe a fait appel à celle de Thierry Giamarchi, professeur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l’UNIGE. «A partir de leurs résultats, nous avons établi des schémas théoriques capables de les interpréter, explique le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du...) genevois. Puis ces modèles théoriques ont à nouveau été testés par de nouvelles expériences, afin de les valider.»

Création du «modèle standard»

L’objectif était donc de comprendre comment fonctionnent les propriétés quantiques de BACOVO, notamment ses excitations topologiques. «Pour cela, nous avons utilisé la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) des neutrons. Cela signifie que nous envoyons un faisceau de neutrons sur le matériau. Les neutrons se comportent comme des petits aimants qui interagissent avec ceux de BACOVO selon une stratégie «perturber pour révéler», qui nous permet de comprendre leurs propriétés», détaille Quentin Faure, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une...) à l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) Nèel du CNRS et à l’Institut nanosciences et cryogénie (CEA/UGA). Lorsque le modèle développé par l’UNIGE concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de Sud-Aviation (devenue par la suite l’Aérospatiale après sa fusion avec Nord-Aviation et la SEREB) et de la British Aircraft...) avec l’expérience, il devient le «modèle standard» du matériau. «Et effectivement, le modèle que nous avons établi avec Shintaro Takayoshi a prédit exactement le résultat de l’expérience !», se réjouit Thierry Giamarchi.

Un matériau aux propriétés inattendues

Mais cette expérience a permis une découverte que les scientifiques n’avaient pas anticipée. «Après avoir établi le «modèle standard» de BACOVO, nous avons observé des propriétés inattendues», s’enthousiasme Shintaro Takayoshi, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...) au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l’UNIGE. En effet, une fois placé dans un champ magnétique, BACOVO développe un deuxième jeu d’excitations topologiques qui est en compétition avec le premier, confirmant des théories des années 70-80 construites grâce au domaine ouvert par les travaux des nobélisés. «En plus de prouver l’existence de cette confrontation de deux jeux d’excitations topologiques au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) d’un même matériau, du jamais vu, nous avons été en mesure de contrôler expérimentalement quel jeu domine l’autre», ajoute le chercheur genevois. Une première !

Ce qui n’était au départ qu’une hypothèse théorique est ainsi devenu une expérience vérifiée. Grâce à un travail d’analyse poussé sur BACOVO, les physiciens et physiciennes de l’équipe ont prouvé que deux jeux d’excitations topologiques entrent en confrontation directe dans un même matériau et contrôlent son état. En fonction du jeu dominant, cette confrontation conduit ainsi à une transition de phase quantique. De plus, les scientifiques ont été en mesure de contrôler quel jeu l’emporte, pouvant ainsi régler à loisir l’état de la matière de BACOVO. «Ces résultats ouvrent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) un champ de possibles dans la recherche de la physique quantique, conclut Thierry Giamarchi. Certes, nous en sommes encore au niveau fondamental, mais c’est par ce genre de découvertes que chaque jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) nous nous rapprochons d’applications des propriétés quantiques des matériaux, et pourquoi pas de l’ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De...)

Référence publication:
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-018-0126-8

Contact chercheur:
Thierry Giamarchi - Professeur au Département de physique de la matière quantique
Faculté des sciences

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