Des chercheurs de Swinburne ont découvert des comportements quantiques inattendus et entièrement nouveaux qui ne se produisent que dans des systèmes unidimensionnels, tels que le courant électrique. Leur nouvel article, publié dans Lettres d'examen physiqueexplore une question fondamentale dans la physique quantique: ce qui se passe lorsqu'une seule particule « d'impureté », comme un atome ou un électron, est introduite dans une foule bien emballée de particules identiques.
Presque tous les matériaux du monde contient de petites imperfections ou des particules supplémentaires; Comprendre comment ces «étrangers» interagissent avec leur environnement est la clé pour déterminer comment les matériaux conduisent l'électricité, créent de la lumière ou répondent aux forces externes.
Une équipe du Center for Quantum Technology Theory à Swinburne l'a étudié dans le cadre d'un réseau optique unidimensionnel (une sorte de cristal artificiel à base de lumière laser) en utilisant un cadre théorique bien connu appelé modèle Fermi-Hubbard.
« Cette recherche est particulièrement importante pour les technologies telles que les panneaux solaires, les LED et les transistors, où les particules supplémentaires portent souvent une charge électrique », explique le Dr Jia Wang, co-auteur et quantique, le Dr Jia Wang. « Que ces particules se déplacent librement ou que ce soit« coincé »dépend de la façon dont elles interagissent avec leur environnement à un niveau quantique.»
« Un exemple quotidien connexe pourrait être la façon dont les électrons se déplacent à travers les matériaux tout en interagissant avec leur environnement. Cette interaction sous-tend la façon dont le courant électrique circule à travers les fils – quelque chose que nous comptons quotidiennement pour les appareils d'alimentation. Notre travail nous aide à comprendre ce processus à un niveau très fondamental, en particulier dans les matériaux nouveaux ou émergents. »
La découverte de comportements quantiques inattendus et entièrement nouveaux dans une dimension est révolutionnaire dans ce domaine de travail.
Dans des dimensions plus élevées (comme 2D ou 3D), ces interactions ont tendance à produire des effets collectifs bien compris, qui apparaissent comme des pics nets dans les mesures spectroscopiques. Ces pics sont associés à des «polarons», où l'impureté et son environnement se comportent comme une seule nouvelle particule.
Le Dr Wang explique qu'en 1D, les effets quantiques deviennent beaucoup plus dramatiques.
« La foule réagit d'une manière qui brouille ces pics pointus, créant ce que nous appelons les singularités de Fermi anormales. Ce sont comme de nouvelles empreintes digitales quantiques: des signatures uniques montrant que les particules en 1D suivent des règles très différentes. »
« Un autre aspect clé de notre étude est que notre méthode est exacte – une réalisation rare et précieuse dans le monde de la physique quantique à plusieurs corps. Les solutions exactes sont cruciales car elles servent de référence pour les approximations théoriques et les expériences du monde réel. Ils aident les chercheurs à tester et à affiner les simulateurs quantiques, qui sont des outils utilisés pour modéliser des matériaux complexes et des systèmes avec un contrôle sans rapport. »
Le Dr Wang dit que les résultats approfondissent notre compréhension de la façon dont les systèmes quantiques se comportent en faibles dimensions, avec des implications qui passent de la physique fondamentale à la conception de futurs matériaux et dispositifs quantiques.
« Cela fournit une référence pour les études futures et jette les bases des développements futurs de la physique quantique et de notre compréhension de l'univers. »
