Des physiciens observent enfin un état de la matière exotique prédit pour la première fois en 1973
Une équipe de chercheurs a observé un état de la matière inédit appelé liquide de spin quantique en jouant avec les spins sur des atomes de rubidium surfondus à l'aide d'un simulateur quantique. La découverte a des implications sur le fonctionnement des ordinateurs quantiques et, peut-être un jour, sur les environnements dans lesquels les matériaux peuvent être supraconducteurs.
Il existe de nombreux états (également appelés phases) de la matière à découvrir au-delà du solide, du liquide et du gaz traditionnels de Chimie 101. L'état de quelque chose fait référence à sa structure au niveau atomique et à ses propriétés, par exemple sa rigidité. les structures moléculaires sont ou comment ses électrons sont disposés autour du noyau atomique.
L'existence d'un état particulier de la matière, appelé liquide de spin quantique, a été prédite en 1973 par feu Philip W. Anderson et a été étudiée depuis. Mais les recherches sur l'État étaient chargées de mises en garde : les liquides de spin quantique « émergents », « proximités » et « candidats » abondaient. La récente équipe, un groupe de scientifiques de l'Université Harvard, du MIT et de l'Université d'Innsbruck en Autriche, affirme avoir trouvé un exemple réel et publié ses observations dans la revue Science.
"Lorsque PW Anderson a proposé pour la première fois l'idée de ces états liquides de spin, il cherchait exactement un modèle microscopique possible pour expliquer les supraconducteurs à haute température", a déclaré Giulia Semeghini, auteur principal de l'article et physicienne quantique à Harvard, à Gizmodo dans un e-mail. Alors que la connexion entre les quantique liquides de spin et w superconducteurs bras reste peu clair , maintenant un tel modèle microscopique a été mis au point.
Pour trouver l'état de la matière, l'équipe a utilisé ce qu'on appelle un simulateur quantique pour imiter la physique qui se produit dans les solides jusqu'au niveau atomique. Le simulateur utilise des formes géométriques pour représenter l'orientation de 219 atomes de rubidium dans un réseau, que l'équipe a ensuite pu manipuler à sa guise. (La machine est appelée simulateur quantique car ce n'est pas tout à fait un ordinateur quantique ; c'est un système de bits quantiques mis en place pour étudier un problème spécifique.)
« Il est un moment très spécial dans le domaine », a déclaré Mikhail Lukin, un physicien à l' Université de Harvard et co-auteur du document, dans une presse universitaire communiqué . « Vous pouvez vraiment toucher, pousser et pousser cet état exotique et le manipuler pour comprendre ses propriétés… C'est un nouvel état de la matière que les gens n'ont jamais pu observer. »
L'état quantique n'est pas liquide comme vous pourriez le penser ; les atomes que l'équipe a étudiés ne se baladaient pas, en soi. Au contraire, les spins des électrons du rubidium étaient flous et jamais en accord.
Les spins électroniques constamment conflictuels et changeants rendent les métaux dans un état liquide de spin quantique « frustrés », dans le jargon des scientifiques, car ils ne peuvent pas aligner leur inclinaison. Les liquides de spin quantique sont parmi les états quantiques les plus intriqués, et plus un système est intriqué, plus il est robuste, ce qui signifie que l'ordinateur quantique est moins susceptible de tomber de la superposition.
« En effet, l'état conçu semble démontrer des propriétés clés de l'intrication quantique dans une QSL, ce qui est remarquable !!! » a écrit Robert McQueeney, physicien à l'Iowa State University et au Ames Laboratory, dans un e-mail. "Les futurs travaux potentiels qui suivront inévitablement sont encore plus excitants, car l'approche de l'atome froid est hautement adaptable et accordable."
Lorsque les choses deviennent suffisamment froides, la matière condensée (solides) devient assez ordonnée. C'est cet ordre qui rend les systèmes supraconducteurs si utiles pour des expériences scientifiques précises, du suivi des collisions de trous noirs supermassifs au forçage des électrons dans des faisceaux laser de haute puissance pour étudier les plus petites structures que nous connaissons. Mais lorsqu'ils ont été refroidis juste au-dessus du zéro absolu, les électrons des atomes de rubidium ont rejeté cet ordre en existant dans un état de flux constant, même à des températures aussi basses : ils sont devenus un liquide de spin quantique.
Les bits informatiques sont par définition binaires, ce qui signifie qu'ils sont soit activés, soit désactivés (1 ou 0, en langage binaire). Les ordinateurs quantiques utilisent à la place des qubits, qui reposent sur le principe de superposition, ce qui signifie qu'ils peuvent être traités à la fois comme activés et désactivés en même temps, permettant à l'ordinateur de poursuivre une multitude de solutions simultanément.
"La grande promesse des liquides de spin quantique est qu'ils peuvent être utilisés pour réaliser des qubits robustes pour les ordinateurs quantiques", a déclaré Semeghini. « La façon typique d'encoder un qubit est en fait assez fragile au bruit et aux perturbations externes. Le codage d'informations quantiques dans un qubit topologique, utilisant différents états topologiques d'un liquide de spin quantique, donne lieu à un qubit intrinsèquement résistant au bruit.
Si la première direction la plus fiable pour prendre cette recherche est de fabriquer des qubits plus robustes et, par conséquent, des ordinateurs quantiques plus efficaces, le Saint Graal seraient des supraconducteurs à température ambiante. C'est ce vers quoi Anderson, qui a imaginé les liquides de spin quantique, essayait de travailler, et ils ont été une ambition de la physique (et de l'industrie de l'énergie) depuis que le pouvoir de la supraconductivité a été réalisé. Entre autres, la suppression de la résistance des circuits électriques à température ambiante révolutionnerait le réseau électrique tel que nous le connaissons car il n'y aurait aucune perte d'énergie en chaleur. Cela signifierait également des progrès partout où des aimants supraconducteurs sont actuellement nécessaires : dans les technologies médicales telles que les machines IRM, les accélérateurs de particules et dans les trains à lévitation ultra-rapides. Mais il y a un long chemin à parcourir avant de réaliser ce rêve.
Quant à savoir si les liquides de spin quantique peuvent aider à traiter la supraconductivité à température ambiante, Semeghini a déclaré que « notre expérience ne répond pas directement à cette question, mais il est possible que continuer à faire des recherches sur ces types de phases exotiques puisse aider à mieux comprendre l'origine des hautes- température supraconductivité.
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