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Phénomène quantique déroutant : lorsque les électrons disparaissent lentement pendant le refroidissement

Quasiparticle Ultrashort Light Pulse

Composé d’électrons localisés et mobiles, ici brisés par une impulsion lumineuse ultracourte. Crédit : Université de Bonn

Les scientifiques observent un effet dans le monde quantique qui n’existe pas dans le macrocosme.

Des chercheurs de l’Université de Bonn et de l’ETH Zurich ont mené une étude approfondie des transitions de phase uniques dans certains métaux. Leurs découvertes permettent de mieux comprendre la physique quantique et font potentiellement avancer le domaine des technologies de l’information quantique.

Lorsqu’elles sont refroidies en dessous d’une certaine température critique, de nombreuses substances changent de propriétés. Par exemple, une telle transition de phase se produit lorsque l’eau gèle. Cependant, dans certains métaux, il existe des transitions de phase qui n’existent pas dans le macrocosme. Ils surviennent en raison des lois spéciales de la mécanique quantique qui s’appliquent dans le domaine des plus petits éléments constitutifs de la nature. On pense que le concept d’électrons en tant que porteurs de charge électrique quantifiée ne s’applique plus à proximité de ces transitions de phase exotiques.

Les scientifiques ont maintenant trouvé un moyen de le prouver directement. Leurs découvertes permettent de nouvelles perspectives dans le monde exotique de la physique quantique. La publication, par des chercheurs de l’Université de Bonn et de l’ETH Zurich, vient d’être publiée dans la revue Physique naturelle.

Comprendre les transitions de phase

Si vous refroidissez l’eau en dessous de zéro degré Celsius (32 degrés Fahrenheit), il se solidifie en glace. Dans le processus, il change brusquement ses propriétés. Sous forme de glace, par exemple, il a une densité beaucoup plus faible qu’à l’état liquide. C’est pourquoi les glaçons et les icebergs flottent. En physique, on parle de transition de phase.

Mais il existe également des transitions de phase dans lesquelles les caractéristiques d’une substance changent progressivement. Si, par exemple, un aimant en fer est chauffé jusqu’à 760 degrés Celsius (1 400 degrés Fahrenheit), il perd son attrait pour les autres morceaux de métal – il n’est alors plus ferromagnétique, mais paramagnétique. Cependant, cela ne se produit pas brusquement, mais de manière continue : les atomes de fer se comportent comme de minuscules aimants

A basse température, ils sont orientés parallèlement les uns aux autres. Lorsqu’ils sont chauffés, ils fluctuent de plus en plus autour de cette position de repos jusqu’à ce qu’ils soient alignés de manière complètement aléatoire et que le matériau perde complètement son magnétisme. Ainsi, pendant que le métal est chauffé, il peut être à la fois quelque peu ferromagnétique et quelque peu paramagnétique.

Prof. Dr. Hans Kroha avec des étudiants. Crédit : Bernadett Yehdou/Université de Bonn

Les particules de matière ne peuvent pas être détruites

La transition de phase se fait donc progressivement, pour ainsi dire, jusqu’à ce que finalement, tout le fer soit paramagnétique. En cours de route, la transition ralentit de plus en plus. Ce comportement est caractéristique de toutes les transitions de phase continues.

«Nous appelons cela un« ralentissement critique », explique le professeur Hans Kroha du Bethe Center for Theoretical Physics de l’Université de Bonn. « La raison en est qu’avec des transitions continues, les deux phases se rapprochent énergétiquement de plus en plus. »

C’est comme placer une balle sur une rampe : elle roule ensuite vers le bas, mais plus la différence d’altitude est petite, plus elle roule lentement. Lorsque le fer est chauffé, la différence d’énergie entre les phases diminue de plus en plus, en partie parce que l’aimantation disparaît progressivement au cours de la transition.

Un tel « ralentissement » est typique des transitions de phase basées sur l’excitation des bosons. Les bosons sont des particules qui « génèrent » des interactions (sur lesquelles repose, par exemple, le magnétisme). La matière, en revanche, n’est pas constituée de bosons mais de fermions. Les électrons, par exemple, appartiennent aux fermions.

Les transitions de phase sont basées sur le fait que les particules (ou aussi les phénomènes déclenchés par elles) disparaissent. Cela signifie que le magnétisme dans le fer devient de plus en plus petit à mesure que moins d’atomes sont alignés en parallèle. « Les fermions, cependant, ne peuvent pas être détruits en raison des lois fondamentales de la nature et ne peuvent donc pas disparaître », explique Kroha. « C’est pourquoi normalement ils ne sont jamais impliqués dans les transitions de phase. »

Les électrons se transforment en quasi-particules

Les électrons peuvent être liés dans des atomes ; ils ont alors un lieu fixe qu’ils ne peuvent quitter. Certains électrons dans les métaux, en revanche, sont librement mobiles – c’est pourquoi ces métaux peuvent également conduire l’électricité. Dans certains matériaux quantiques exotiques, les deux variétés d’électrons peuvent former un état de superposition. Cela produit ce qu’on appelle des quasi-particules. Ils sont, en un sens, immobiles et mobiles à la fois – une caractéristique qui n’est possible que dans le monde quantique.

Ces quasi-particules – contrairement aux électrons « normaux » – peuvent être détruites lors d’une transition de phase. Cela signifie que l’on peut également y observer les propriétés d’une transition de phase continue, notamment un ralentissement critique.

Jusqu’à présent, cet effet n’a pu être observé qu’indirectement dans des expériences. Des chercheurs dirigés par le physicien théoricien Hans Kroha et le groupe expérimental de Manfred Fiebig à l’ETH Zurich ont maintenant développé une nouvelle méthode qui permet d’identifier directement l’effondrement des quasiparticules lors d’une transition de phase, en particulier le ralentissement critique associé.

« Cela nous a permis de montrer pour la première fois directement qu’un tel ralentissement peut également se produire dans les fermions », explique Kroha, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire « Matière » de l’Université de Bonn et du cluster d’excellence  » Matter and Light for Quantum Computing » de la Fondation allemande pour la recherche. Le résultat contribue à une meilleure compréhension des transitions de phase dans le monde quantique. À long terme, les résultats pourraient également être utiles pour des applications en technologie de l’information quantique.

L’étude a été réalisée en collaboration avec l’ETH Zurich et l’Université de Bonn. Les travaux ont été financés par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et la Fondation allemande pour la recherche (DFG).

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