Qu’il s’agisse d’aimants ou de supraconducteurs: les matériaux sont connus pour leurs diverses propriétés. Cependant, ces propriétés peuvent changer spontanément dans des conditions extrêmes. Des chercheurs de la Technische Universität Dresden (TUD) and de la Technische Universität München (TUM) ont découvert a type entièrement nouveau de telles transitions de phase. Ils présentent le phénomène d’trication quantique impliquant de nombreux atomes, qui n’était auparavant observé que dans le domaine de quelques atomes. The results on the récemment publiés dans la revue scientifique Nature.
En physique, the chat de Schroedinger est une allégorie de deux des effects les plus impressionnants de la mécanique quantique: the intrication et la superposition. Des chercheurs de Dresde et de Munich ont maintenant observé ces comportements à une échelle bien plus grande que cells de la plus petite des particules. Jusqu’à présent, les matériaux qui affichent des propriétés telles que, par exemple, le magnétisme, étaient connus pour avoir ce qu’on appelle des domaines – des îlots dans lesquels les propriétés des matériaux sont homogènes soit d’un type soit d ‘ un type différent (imaginez-les étant soit noirs ou blanc, par exemple). En regardant le fluorure de lithium holmium (LiHoF4). “Notre chat quantique a maintenant une nouvelle fourrure parce que nous avons découvert une nouvelle transition de phase quantique dans LiHoF4 dont l’existence n’était pas connue auparavant ”, commented Matthias Vojta, president of the physique théorique du solide à la TUD.
Transitions de phase et intrication
Nous pouvons easily observer les propriétés changeantes spontanées d’une substance yes nous regardons l’eau: à 100 degrés Celsius, elle s’évapore en un gaz, à zéro degré Celsius, elle gèle en glace. Dans les deux cas, ces nouveaux états de la matière se forment à la suite d’une transition de phase où les molécules d’eau se réarrangent, modifiant ainsi les caractéristiques de la matière. Des propriétés telles which magnétisme ou the supraconductivity émergent à la suite de transitions de phase d’électrons dans les cristaux. Pour les transitions de phase à des températures approchant le zéro absolu à -273.15 degrés Celsius, des effets de mécanique quantique tels que the intrication entrent en jeu, et on parle de transitions de phase quantiques. “Même s’il ya plus de 30 ans de recherches deepies consacrées aux transitions de phase dans les matériaux quantiques, nous avions précédemment supposé que le phénomène d’trication ne jouait un rôle qu’à l’échelle microscopique, où il n’impliquait que quelques atomes à la fois.“, explique Christian Pfleiderer, professor of topologies of systems corrélés à la TUM.
The intrication quantique is the one des phénomènes les plus étonnants de la physique, where the particules quantiques intriquées existent dans un état de superposition partagé qui permet à des propriétés généralement mutuellement exclusives (par exemple, noir et blanc) de se produire simultanément. En règle générale, les lois de la mécanique quantique ne s’appliquent qu’aux particules microscopiques. The research teams of Munich and Dresden sont desormais parvenues à observer the effects of the intrication quantique à une échelle beaucoup plus large, cells de milliers d’atomes. Pour cela, ils ont choisi de travailler avec le composé bien connu LiHoF4.
Les échantillons sphériques perment des mesures de précision
At very low temperatures, LiHoF4 agit comme un ferromagnétique où tous les moments magnétiques pointent spontanément dans la même direction. Si vous appliquez ensuite un champ magnétique exactement verticalment à la direction magnétique préférée, les moments magnétiques changeront de direction, ce que l’on appelle des fluctuations. Plus the intensity du champ magnétique est élevée, plus ces fluctuations Deviennent fortes, jusqu’à ce que, finalement, le ferromagnétisme disparaisse complètement lors d’une transition de phase quantique. Cela conduit à the intrication des moments magnétiques voisins. «Si vous tenez un LiHoF4 échantillon à un aimant très puissant, the cesse soudainement d’être magnétique spontanément. C’est connu depuis 25 ans », résume Vojta.
Ce qui est nouveau, c’est ce qui se passe lorsque vous changez la direction du champ magnétique. “Nous avons découvert que la transition de phase quantique continue de se produire, alors que l’on croyait auparavant que même la plus petite inclinaison du champ magnétique la supprimerait immédiatement”, explique Pfleiderer. Dans ces conditions, cependant, ce ne sont pas des moments magnétiques individuels mais plutôt des zones magnétiques étendues, appelées domaines ferromagnétiques, qui subissent ces transitions de phase quantiques. The domaines constituent des îlots entiers de moments magnétiques pointant dans la même direction. «Nous avons utilisé des échantillons sphériques pour nos mesures de précision. C’est ce qui nous a permis d’étudier précisément le comportement lors de petits changements de direction du champ magnétique », ajoute Andreas Wendl, here at mené les expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat.
De la physique fundamental aux applications
«Nous avons découvert un type entièrement nouveau de transitions de phase quantique où the intrication a lieu à l’échelle de plusieurs milliers d’atomes au lieu de se limiter à quelques-uns seulement dans le microcosme», explique Vojta. “Si vous imaginez les domaines magnétiques comme un motif noir et blanc, la nouvelle transition de phase conduit à ce que les zones blanches ou noires deveennent infiniment petites, c’est-à-dire qu’elles créent un motif quantique, avant de se dissoudre complètement. »A modèle théorique nouvellement développé explique avec succès les women obtenues à partir des expériences. «Pour notre analyze, nous avons généralisé les modèles microscopiques existants et avons également pris en compte la retroaction des grands domaines ferromagnétiques sur les propriétés microscopiques», explique Heike Eisenlohr, here at effectué les calculs dans le cadre de sa thèse de doctorat.
La découverte des nouvelles transitions de phase quantiques is important en tant que fondement et cadre de reference general for the recherche de phénomènes quantiques dans les matériaux, ainsi que pour de nouvelles applications. «The intrication quantique est appliquée et utilisée dans des technologies telles que les capteurs quantiques et les ordinateurs quantiques, entre autres», explique Vojta. Pfleiderer ajoute: «Our work is fundamental, here peut toutefois avoir a direct impact on the développement d’applications pratiques, si vous utilisez les propriétés des matériaux de manière contrôlée. “
La recherche a été soutenue financièrement par la stratégie d’excellence des gouvernements fédéral et des États allemands au sein du cluster d’excellence Würzburg-Dresden Complexity and Topology in Quantum Matter (ct.qmat) et du cluster of Excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). En outre, les travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche (ERC) via the Advanced Grant ExQuiSid et par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) au sein des Collaborative Research Centers (SFB) 1143 et TRR80.
