Des chercheurs de l'Université de Tokyo et du RIKEN ont découvert que le ferromagnétisme peut être induit en augmentant la motilité des particules dans les systèmes quantiques, où les forces répulsives entre les atomes maintiennent l'ordre.
Une recherche révèle une nouvelle méthode d’établissement de l’ordre dans les systèmes quantiques, potentiellement bénéfique aux avancées de la technologie quantique.
Les chercheurs Kazuaki Takasan et Kyogo Kawaguchi de l'Université de Tokyo, ainsi que Kyosuke Adachi du RIKEN, la plus grande institution de recherche globale du Japon, ont montré que le ferromagnétisme, un état ordonné des atomes, peut être induit en augmentant la motilité des particules et que les forces répulsives entre les atomes sont suffisantes pour le maintenir.
Cette découverte étend non seulement le concept de matière active aux systèmes quantiques, mais contribue également au développement de nouvelles technologies qui s'appuient sur les propriétés magnétiques des particules, telles que la mémoire magnétique et l'informatique quantiqueLes résultats ont été publiés dans la revue Recherche sur l'examen physique.
Des oiseaux en vol, des bactéries en essaim, des flux cellulaires… Ce sont tous des exemples de matière active, un état dans lequel des agents individuels, comme des oiseaux, des bactéries ou des cellules, s’auto-organisent. Les agents passent d’un état désordonné à un état ordonné dans ce qu’on appelle une « transition de phase ». En conséquence, ils se déplacent ensemble de manière organisée sans contrôleur externe.
« Des études antérieures ont montré que le concept de matière active peut s’appliquer à une large gamme d’échelles, du nanomètre (biomolécules) au mètre (animaux) », explique Takasan, premier auteur. « Cependant, on ne savait pas encore si la physique de la matière active pouvait être appliquée de manière utile dans le régime quantique. Nous voulions combler cette lacune. »
Schéma du ferromagnétisme induit par l'activité dans la matière active quantique. Ici, les atomes en mouvement avec spins présentent l'ordre ferromagnétique (c'est-à-dire qu'ils s'alignent dans une direction) comme une volée d'oiseaux représentée ci-dessus. Crédit : Takasan et al 2024
Modèle quantique imitant les phénomènes naturels
Pour combler cette lacune, les chercheurs ont dû démontrer un mécanisme possible qui pourrait induire et maintenir un état ordonné dans un système quantique. Il s’agissait d’un travail collaboratif entre la physique et la biophysique. Les chercheurs se sont inspirés du phénomène des oiseaux en vol, car, en raison de l’activité de chaque agent, l’état ordonné est plus facilement atteint que dans d’autres types de matière active. Ils ont créé un modèle théorique dans lequel les atomes imitaient essentiellement le comportement des oiseaux. Dans ce modèle, lorsqu’ils augmentaient la motilité des atomes, les forces répulsives entre les atomes les réorganisaient dans un état ordonné appelé ferromagnétisme. Dans l’état ferromagnétique, les spins, le moment angulaire des particules subatomiques et des noyaux, s’alignent dans une direction, tout comme les oiseaux en vol qui regardent dans la même direction lorsqu’ils volent.
« Au début, il a été surprenant de constater que l’ordonnancement pouvait apparaître sans interactions complexes entre les agents du modèle quantique », explique Takasan à propos de cette découverte. « C’était différent de ce que l’on attendait sur la base des modèles biophysiques. »
Les chercheurs ont adopté une approche multidimensionnelle pour s’assurer que leur découverte n’était pas un hasard. Heureusement, les résultats des simulations informatiques, de la théorie du champ moyen, d’une théorie statistique des particules et des preuves mathématiques basées sur l’algèbre linéaire étaient tous cohérents. Cela a renforcé la fiabilité de leur découverte, première étape d’une nouvelle ligne de recherche.
« L’extension de la matière active au monde quantique n’a commencé que récemment et de nombreux aspects restent encore ouverts », explique Takasan. « Nous aimerions développer davantage la théorie de la matière active quantique et révéler ses propriétés universelles. »
