Certaines phases de la matière ne peuvent pas être décrites en utilisant le cadre conventionnel de rupture de symétrie et présentent un ordre quantique soi-disant. Un type d'ordre quantique, connu sous le nom d'ordre topologique, est caractérisé par un enchevêtrement à longue portée entre les particules à travers un système entier, une dégénérescence à l'état fondamental qui dépend de la forme globale du système et d'une robustesse contre les perturbations locales.
Les phases topologiques de la matière se produisent principalement à une température nulle, car les fluctuations thermiques ont tendance à les détruire et à perturber leur ordre sous-jacent. Dans un article récent publié dans Lettres d'examen physiqueCependant, des chercheurs de l'Université Nanjing, de l'Université de Yale et d'autres instituts ont signalé une nouvelle phase topologique 3D de matière caractérisée par une symétrie anormale à deux formes qui se produit à des températures non nulles.
« Au cours des dernières années, nous avons fait des progrès substantiels dans notre capacité à contrôler les systèmes quantiques – sur une gamme de plates-formes différentes: qubits supraconducteurs, ions piégés, atomes neutres, photonique, etc. », a déclaré Tyler D. Ellison, auteur principal de l'article, à Issues.fr.
« Cela a ouvert le potentiel d'ingénierie des états quantiques intéressants et des phases quantiques de la matière dans des paramètres expérimentaux bien contrôlés. Cependant, inévitablement, le matériel est imparfait, et le système n'est pas complètement isolé de l'environnement. Cela signifie que le système quantique souffre d'opérations défectueuses (comme la perte de photons) et le bruit de l'environnement (EG, à partir de particules cosmées). »
En raison de cette limitation clé, les systèmes quantiques ne sont pas définis par des états quantiques «purs» qui se produisent en eux, mais plutôt par des distributions de probabilité des états quantiques, résultant de la nature probabiliste des erreurs associées au bruit. Au cours des dernières décennies, de nombreux physiciens ont essayé de mieux comprendre les phénomènes physiques exotiques et les états quantiques de matière qui peuvent être réalisés indépendamment du bruit de fond et d'un manque de contrôle sur eux.
« De même, les systèmes quantiques à température non nul sont des distributions de probabilité des états quantiques purs », a déclaré Ellison. « Dans ce cas, les distributions découlent plutôt de fluctuations thermiques. Nous avons réalisé que certains des mêmes outils théoriques qui ont été développés récemment dans le contexte de systèmes quantiques bruyants peuvent être utilisés pour caractériser les systèmes quantiques à température non nulle. »
Lorsqu'ils ont commencé à mener leur étude récente, Ellison et ses collègues n'avaient pas entrepris de découvrir de nouvelles phases quantiques 3D de la matière, mais exploraient plutôt les phases quantiques de matière résultant de systèmes « bruyants ». Néanmoins, leurs efforts ont finalement conduit à la découverte d'un nouvel ordre topologique à des températures non nulles, surnommée le code torique fermionique.
« Il a longtemps été apprécié que les symétries jouent un rôle important dans la caractérisation des phases de la matière », a expliqué Ellison. « Les liquides ont une symétrie translationnelle continue, car il existe une probabilité uniforme de trouver un atome n'importe où dans le système, tandis que les solides ont une symétrie de translation discrète, en raison de la structure cristalline formée par les atomes.
« Les phases plus exotiques de la matière se distinguent également par leurs symétries plus exotiques. Certaines symétries, appelées symétries anormales, sont suffisamment exotiques pour que, si un système possède la symétrie, alors il doit être très enchevêtré. »
Dans le cadre de leur étude, Ellison et ses collègues ont identifié un modèle pour un système 3D qui présente une symétrie anormale à des températures non nulles. Le modèle en question, connu sous le nom de code torique fermionique, est une variante du code torique bien connu, un modèle généralement utilisé pour effectuer une correction d'erreur quantique et des calculs quantiques topologiques.
Ils ont montré que ce modèle présente une symétrie anormale à deux formes à des températures supérieures à zéro absolue. Sur la base de leurs analyses, les chercheurs ont fait valoir que ce système doit être très enchevêtré à basse température.
« Il nous a été une surprise totale qu'il existe une phase quantique de matière en trois dimensions à température non nulle », a déclaré Ellison.
« There are strong arguments to say that no such quantum phases of matter exist in 2D, and prior to our work, the general expectation in the community was that the arguments hold in 3D. On the other hand, it has been known that there are quantum phases of matter in four spatial dimensions that exist at non-zero temperature. However, these are a bit of a fantasy, since the interactions engineered in experimental settings are in three spatial dimensions. »
Cette étude récente introduit le tout premier exemple d'une phase quantique de matière qui pourrait être réalisé de manière réaliste pour concevoir des systèmes quantiques à l'équilibre. Dans le cadre de leurs futures études, Ellison et ses collègues prévoient d'étudier plus en détail la phase de matière nouvellement découverte qu'ils ont révélée et explorer ses applications pratiques possibles.
« Notre prochaine étape sera d'étudier comment concevoir notre modèle sur une plate-forme expérimentale. Nous nous attendons à ce que les tableaux d'atomes neutres soient un ajustement naturel pour les interactions dans notre modèle.
« Une autre direction importante est pour nous de développer des diagnostics simples pour détecter si nous avons réussi à préparer la phase de la matière. Une fois que nous avons une réalisation expérimentale, il ouvre la porte à l'exploration des propriétés exotiques des phases quantiques de la matière à des températures non nulles », a ajouté Ellison.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
