Une étude dans Nature Décrit à la fois le mécanisme et les conditions du matériau nécessaires à la superfluorescence à température ambiante. Les travaux pourraient servir de plan pour la conception de matériaux qui permettent des états quantiques exotiques – tels que la supraconductivité, la superfluidité ou la superfluorescence – à des températures élevées, ouvrant la voie à des applications telles que les ordinateurs quantiques qui ne nécessitent pas de températures extrêmement basses pour fonctionner.
L'équipe internationale qui a fait le travail était dirigée par la North Carolina State University et comprenait des chercheurs de l'Université Duke, de l'Université de Boston et de l'Institut Polytechnique de Paris.
« Dans ce travail, nous montrons des raisons expérimentales et théoriques derrière la cohérence quantique macroscopique à haute température », explique Kenan Gundogdu, professeur de physique à NC State et auteur correspondant de l'étude.
« En d'autres termes, nous pouvons enfin expliquer comment et pourquoi certains matériaux fonctionneront mieux que d'autres dans des applications qui nécessitent des états quantiques exotiques à des températures ambiantes. »
Imaginez une école de poissons nageant à l'unisson ou le clignotement synchronisé des lucioles – exemples de comportement collectif dans la nature. Lorsque un comportement collectif similaire se produit dans le monde quantique – un phénomène connu sous le nom de transition de phase quantique macroscopique – cela conduit à des processus exotiques tels que la supraconductivité, la superfluidité ou la superfluorescence.
Dans tous ces processus, un groupe de particules quantiques forme un système macroscopiquement cohérent qui agit comme une particule quantique géante.
Cependant, les transitions de phase quantique nécessitent normalement des conditions super froides ou cryogéniques. En effet, des températures plus élevées créent un «bruit» thermique qui perturbe la synchronisation et empêche la transition de phase.
Dans une étude précédente, Gundogdu et ses collègues ont déterminé que la structure atomique de certaines pérovskites hybrides protégeait les groupes de particules quantiques du bruit thermique suffisamment longtemps pour que la transition de phase se produise.
Dans ces matériaux, de grands polarons – des groupes d'atomes liés aux électrons – formés et isolants dipôles émettant de la lumière à partir d'une interférence thermique et permettant de superfluorescence.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont découvert le fonctionnement de l'effet isolant. Lorsqu'ils ont utilisé un laser pour exciter les électrons dans la pérovskite hybride qu'ils ont étudié, ils ont vu de grands groupes de polarons se réunir. Ce regroupement est appelé un soliton.
« Imaginez le réseau atomique comme un chiffon fin étendu entre deux points », explique Gundogdu. « Si vous placez des boules solides – qui représentent des excitons – sur le tissu, chaque balle déforme le tissu localement. Pour obtenir un état exotique comme la superfluorescence, vous avez besoin de toutes les excitons ou des balles, pour former un groupe cohérent et interagir avec le réseau comme une unité, mais à des températures élevées, le bruit thermique prévoit cela.
« La balle et sa déformation locale forment ensemble un polaron », poursuit Gundogdu.
« Lorsque ces Polarons passent d'une distribution aléatoire à une formation ordonnée dans le réseau, ils font un soliton ou une unité cohérente. Le processus de formation de soliton atténue les perturbations thermiques, qui entravent autrement les effets quantiques. »
« Un soliton ne se forme que lorsqu'il y a suffisamment de densité de Polarons excités dans le matériel », explique Mustafa Türe, Ph.D. Étudiant et co-premier auteur du journal.
« Notre théorie montre que si la densité des polarons est faible, le système n'a que des polarons incohérents libres, alors que au-delà d'une densité de seuil, les polarons évoluent en solitons. »
« Dans nos expériences, nous avons directement mesuré l'évolution d'un groupe de polarons d'une phase incohérente non corrélée à une phase ordonnée », ajoute Melike Biliroglu, chercheur postdoctoral à NC State et co-premier auteur de l'œuvre.
« Il s'agit de l'une des premières observations directes de la formation de l'état quantique macroscopique. »
Pour confirmer que la formation de soliton supprime les effets néfastes de la température, le groupe a travaillé avec Volker Blum, professeur agrégé de la famille Rooney en génie mécanique et science des matériaux à Duke, pour calculer les oscillations du réseau responsables de l'interférence thermique.
Ils ont également collaboré avec Vasily Temnov, professeur de physique chez CNRS et Ecole Polytechnique, pour simuler la dynamique de recombinaison du soliton en présence de bruit thermique. Leur travail a confirmé les résultats expérimentaux et vérifié la cohérence intrinsèque du soliton.
Le travail représente un bond en avant en comprenant comment et pourquoi certaines pérovskites hybrides sont capables de présenter des états quantiques exotiques.
« Avant ce travail, il n'était pas clair s'il y avait un mécanisme derrière les effets quantiques à haute température dans ces matériaux », explique Franky So, co-auteur du journal et du professeur distingué de sciences et d'ingénierie de Walter et Ida Freeman à NC State.
« Ce travail montre une théorie quantitative et le soutient avec des résultats expérimentaux », explique Gundogdu.
« Les effets quantiques macroscopiques tels que la supraconductivité sont essentiels à toutes les technologies quantiques que nous recherchons – la communication, la cryptologie, la détection et le calcul du quantal – et tous sont actuellement limités par la nécessité de faibles températures. Mais maintenant que nous comprenons la théorie, nous avons des directives pour la conception de nouveaux matériaux quantiques qui peuvent fonctionner à des températures élevées, qui est un énorme pas en avant. »
