Les Physiciens Viennent De Nous Offrir Le ‘‘Liquide De Spin Quantique’’ Un Nouvel État Étrange De La Matière
Un solide est constitué de particules plus ou moins enfermées dans un cadre ordonné. D’autre part, un fluide est constitué de particules qui peuvent s’écouler librement les unes autour des autres. Cependant, imaginez des atomes qui restent non gelés, comme ceux d’un liquide, mais qui sont dans un désordre magnétique en constante changement.
Ce que vous avez alors est un état de la matière jamais vu auparavant, un état d’étrangeté quantique appelé fluide de spin quantique. Or, en manipulant minutieusement les atomes, les scientifiques sont parvenus à produire cet état au laboratoire. Les chercheurs ont publié leurs travaux dans la revue Science, le 2 décembre.
Les scientifiques avaient discuté des concepts sur les fluides de spin pendant des années. “Cependant, nous nous sommes vraiment intéressés à cela lorsque ces philosophes, ici à Harvard, ont finalement découvert un moyen, en fait, de générer les liquides de spin quantique”, déclare Giulia Semeghini, physicienne et également postdoctorale au Harvard College, qui a coordonné le projet de recherche et était l’un des auteurs de l’article.
En cas de problèmes graves que l’on ne trouve généralement pas sur Terre, les règles de la mécanique quantique peuvent transformer les particules en toutes sortes d’exotisme. Prenez, par exemple, la matière dégénérée découverte dans le cœur d’étoiles mortes comme les naines blanches ou les étoiles à neutrons, où des pressions extrêmes cuisent les particules en bouillies de particules subatomiques. Ou pour un autre, le condensat de Bose-Einstein, dans lequel plusieurs particules à des températures extrêmement basses fusionnent pour se comporter comme une seule (sa création a remporté le prix Nobel de physique en 2001).
Le fluide de spin quantique est la dernière entrée dans ce bestiaire des états cryptides. Ses atomes ne gèlent dans aucune sorte d’état ordonné, et ils sont constamment en mouvement.
Le ‘‘spin’’ dans le nom fait référence à une propriété inhérente à chaque particule, vers le haut ou vers le bas, qui donne naissance à des champs magnétiques. Dans un aimant normal, toutes les rotations pointent vers le haut ou vers le bas dans un ordre précis. Dans un fluide de spin quantique, par contre, il y a un 3ème spin dans l’image. Cela empêche la création de champs magnétiques cohérents.
Ceci, combiné aux règles ésotériques de la mécanique quantique, signifie que les rotations sont constamment dans différentes positions à la fois. Si vous observez seulement quelques particules, il est difficile de dire si vous obtenez un fluide quantique ou, si vous le faites, quelles sont ses propriétés.
Les liquides de spin quantique ont été théorisés pour la première fois en 1973 par un physicien du nom de Philip W. Anderson, et les physiciens essaient depuis lors de mettre la main sur cette question. ‘‘De nombreuses expériences différentes… ont tenté de développer et d’observer ce type d’état. Mais cela s’est vraiment avéré extrêmement difficile’’, déclare Mikhail Lukin, physicien au Harvard College et l’un des auteurs de l’article.
Les chercheurs de Harvard avaient un nouvel appareil dans leur collection : ce qu’ils appellent un ‘‘simulateur quantique programmable’’. Essentiellement, c’est une machine qui leur permet de jouer avec des atomes individuels. Les chercheurs peuvent déplacer des atomes autour d’un aimant bidimensionnel en forme de grille sur un tableau blanc à l’aide de faisceaux laser spécifiquement focalisés.
‘‘Nous pourrions contrôler la position de chaque atome individuellement’’, déclare Semeghini. “Nous pourrions les positionner individuellement dans n’importe quelle forme que nous voulons.”
De plus, pour vraiment déterminer s’ils avaient réussi à créer un liquide de spin quantique, les scientifiques ont profité de ce qu’on appelle l’intrication quantique. Ils ont énergisé les particules, qui ont commencé à interagir: les changements dans la propriété d’une particule se refléteraient dans une autre. En examinant ces connexions, les scientifiques ont découvert la confirmation dont ils avaient besoin.
Tout cela peut sembler créer de la matière abstraite pour l’amour de la matière abstraite – mais cela fait partie de l’attrait. “Nous pouvons en quelque sorte le toucher, le pousser, jouer avec, même sous certaines formes, parler à cet état, le manipuler et lui faire faire ce que nous voulons”, déclare Lukin. “C’est ce qui est vraiment excitant.”
Mais les chercheurs pensent que les liquides de spin quantique ont également des applications essentielles. Aventurez-vous simplement dans le royaume des ordinateurs quantiques.
Les systèmes informatiques quantiques ont le potentiel de dépasser de loin leurs homologues conventionnels. Par rapport aux ordinateurs actuels, les ordinateurs quantiques peuvent créer de meilleures simulations de systèmes tels que des molécules et, beaucoup plus rapidement, effectuer des calculs spécifiques.
Mais ce que les chercheurs utilisent comme éléments de base des ordinateurs quantiques pourrait laisser à désirer. Ces blocs, appelés qubits, sont souvent des choses comme des particules individuelles ou des noyaux atomiques, qui sont sensibles au moindre bruit ou aux fluctuations de température. Les liquides de spin quantique pourraient être des qubits moins capricieux avec des informations conservées dans leur disposition.
Si les chercheurs pouvaient démontrer qu’un liquide de spin quantique pouvait être utilisé comme qubit, dit Semeghini, cela pourrait conduire à un type tout à fait récent d’ordinateur quantique.
Référence : G. Semeghini et al. Sonder des liquides de spin topologiques sur un simulateur quantique programmable. DOI : 10.1126/science.abi8794
Lisez l’article original sur l’étude scientifique.
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