Des physiciens ont découvert une nouvelle phase de la matière, l' »état chiral de Bose-liquide ». Cet état, découvert grâce à l’exploration de la frustration cinétique dans les systèmes quantiques, présente des propriétés robustes telles qu’un spin électronique immuable et un enchevêtrement à longue portée. Cette découverte, qui nécessite des champs magnétiques élevés pour être observée, élargit notre compréhension du monde physique et pourrait avoir des applications dans le codage de données numériques tolérantes aux pannes.
Pour les physiciens expérimentaux, la frustration quantique conduit à une découverte fondamentale
« L’état bose-liquide chiral est une nouvelle phase de la matière, selon un professeur de l’UMass Amherst.
Une équipe de physiciens, dont Tigran Sedrakyan, professeur adjoint à l’université du Massachusetts, a récemment annoncé dans la revue Nature qu’elle avait découvert une nouvelle phase de la matière. Appelée « état chiral de bose-liquide », cette découverte ouvre une nouvelle voie dans l’effort séculaire pour comprendre la nature du monde physique.
Dans les conditions quotidiennes, la matière peut être solide, liquide ou gazeuse. Mais dès que l’on s’aventure au-delà du quotidien, que l’on atteint des températures proches du zéro absolu, que l’on trouve des objets plus petits qu’une fraction d’atome ou qui ont des états d’énergie extrêmement bas, le monde est très différent. « On trouve des états quantiques de la matière dans ces zones marginales », explique M. Sedrakyan, « et ils sont beaucoup plus sauvages que les trois états classiques que nous rencontrons dans notre vie de tous les jours ».
Sedrakyan a passé des années à explorer ces états quantiques sauvages, et il s’intéresse particulièrement à la possibilité de ce que les physiciens appellent la « dégénérescence des bandes », les « bandes de douves » ou la « frustration cinétique » dans la matière quantique en interaction forte.
Représentation de la bande de douves, qui frustre les particules et conduit à l’état chiral de bose-liquide. Crédit : Tigran Sedrakyan
En règle générale, les particules d’un système se heurtent les unes aux autres et, ce faisant, provoquent des effets prévisibles, comme des boules de billard qui se heurtent les unes aux autres et réagissent ensuite selon un schéma prévisible. En d’autres termes, les effets et les particules sont corrélés. Mais dans un système quantique frustré, il existe une infinité de possibilités qui découlent de l’interaction des particules – peut-être que la boule de billard lévite ou zoome à un angle impossible – et certaines de ces possibilités infinies peuvent conduire à de nouveaux états quantiques.
Sedrakyan et ses collègues ont conçu une machine à frustration : un dispositif semi-conducteur bicouche. La couche supérieure est riche en électrons, qui peuvent se déplacer librement. La couche inférieure est remplie de « trous », c’est-à-dire d’endroits qu’un électron mobile peut occuper. Les deux couches sont ensuite rapprochées à l’extrême – au niveau interatomique.
Si le nombre d’électrons dans la couche supérieure et de trous dans la couche inférieure était égal, on s’attendrait à voir les particules agir de manière corrélée, mais Sedrakyan et ses collègues ont conçu la couche inférieure de manière à ce qu’il y ait un déséquilibre local entre le nombre d’électrons et de trous dans la couche inférieure. « C’est comme un jeu de chaises musicales », explique Sedrakyan, « conçu pour frustrer les électrons. Au lieu d’avoir une seule chaise pour chaque électron, ils doivent maintenant se démener et avoir de nombreuses possibilités pour s’asseoir ».
Cette frustration donne le coup d’envoi du nouvel état chiral, qui présente un certain nombre de caractéristiques surprenantes. Par exemple, si l’on refroidit la matière quantique dans un état chiral jusqu’au zéro absolu, les électrons se figent selon un schéma prévisible et les particules émergentes de charge neutre dans cet état tournent toutes dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Même si l’on fait entrer une autre particule dans l’un de ces électrons ou si l’on introduit un champ magnétique, il est impossible d’en modifier le spin – ce phénomène est étonnamment robuste et peut même être utilisé pour coder des données numériques de manière tolérante aux pannes.
Ce qui est encore plus surprenant, c’est ce qui se passe lorsqu’une particule extérieure entre en collision avec l’une des particules de l’état chiral. Pour reprendre la métaphore de la boule de billard, on s’attendrait à ce que la boule huit s’envole lorsque la boule blanche la percute. Mais si les boules de billard étaient dans un état bose-liquide chiral, les 15 boules réagiraient exactement de la même manière lorsque la boule huit serait frappée. Cet effet est dû à l’enchevêtrement à longue portée présent dans ce système quantique.
Il est difficile d’observer l’état chiral du liquide de Bose, c’est pourquoi il est resté caché pendant si longtemps. Pour y parvenir, l’équipe de scientifiques, composée des physiciens théoriciens Rui Wang et Baigeng Wang (tous deux de l’université de Nanjing) ainsi que des physiciens expérimentateurs Lingjie Du (université de Nanjing) et Rui-Rui Du (université de Pékin), a conçu une théorie et une expérience utilisant un champ magnétique extrêmement puissant capable de mesurer les mouvements des électrons dans leur course aux chaises.
« Sur le bord de la bicouche semi-conductrice, les électrons et les trous se déplacent à la même vitesse », explique Lingjie Du. « Cela conduit à un transport de type hélicoïdal, qui peut être modulé par des champs magnétiques externes, car les canaux d’électrons et de trous sont progressivement séparés sous des champs plus élevés. » Les expériences de magnéto-transport révèlent donc avec succès la première preuve de l’existence d’un liquide de Bose chiral, que les auteurs appellent également « ordre topologique excitonique » dans l’article publié.
Référence : « Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers » par Rui Wang, Tigran A. Sedrakyan, Baigeng Wang, Lingjie Du et Rui-Rui Du, 14 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06065-w
Ce travail a été soutenu par le National Key R&D Program of China, la National Natural Science Foundation of China, le Program for Innovative Talents and Entrepreneurs in Jiangsu, la Xiaomi Foundation, l’Académie chinoise des sciences et la National Science Foundation.