Des physiciens refroidissent des particules à moins d’un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu pour étudier le monde étrange du magnétisme quantique
Des physiciens ont refroidi des particules à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Ils voulaient avoir un aperçu du domaine farfelu de la mécanique quantique.
Image d’entête : représentation artistique des corrélations magnétiques complexes que les physiciens ont observées à l’aide d’un simulateur quantique révolutionnaire à l’université de Kyoto, qui utilise des atomes d’ytterbium environ 3 milliards de fois plus froids que l’espace lointain. Les différentes couleurs représentent les six états de spin possibles de chaque atome. Le simulateur utilise jusqu’à 300 000 atomes, ce qui permet aux physiciens d’observer directement comment les particules interagissent dans des aimants quantiques dont la complexité est hors de portée du plus puissant superordinateur. (Ella Maru Studio / K. Hazzard/ Université Rice)
Des physiciens japonais et américains ont utilisé des lasers pour refroidir des atomes d’ytterbium afin d’étudier les effets inexplorés du magnétisme quantique.
Selon l’auteur correspondant, Kaden Hazzard, de l’université Rice (Etats-Unis) :
À moins qu’une civilisation extraterrestre ne réalise des expériences de ce type en ce moment même, chaque fois que ces travaux sont menés à l’université de Kyoto, ils produisent les fermions les plus froids de l’univers. Les fermions ne sont pas des particules rares. Ils comprennent des choses comme les électrons et sont l’un des deux types de particules dont toute la matière est constituée.
Un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu qu’est-ce que cela signifie réellement ?
Le zéro absolu correspond à -273,15 °C ou 0 K (où K signifie Kelvin, la mesure scientifique standard de la température). En comparaison, même le vide froid et vide de l’espace se situe à 2,7 °C au-dessus du zéro absolu. Cela s’explique par le fait que, même 13,7 milliards de fois plus tard, la « rémanence » résiduelle du Big Bang continue de réchauffer un peu les parties les plus éloignées de l’espace.
Rien ne peut être plus froid que le zéro absolu. À 0 K, aucune énergie provenant du mouvement moléculaire (que nous, les gens ordinaires, appelons « chaleur ») ne peut être transférée d’un système à un autre. Le seul mouvement au zéro absolu est la vibration quantique des particules connue sous le nom d’énergie du point zéro. Mais ne nous emballons pas.
Il suffit de dire que l’énergie ne peut jamais être inférieure à l’énergie à 0 K, le point à partir duquel le transfert de chaleur cesse.
Si les choses sont vraiment si proches du zéro absolu, il ne peut pas se passer grand-chose d’intéressant, pourrait-on penser… au contraire, selon Hazzard :
L’avantage d’atteindre ce niveau de froid est que la physique change vraiment. La physique commence à devenir plus mécanique quantique, et cela vous permet de voir de nouveaux phénomènes.
Les particules comme les photons et les électrons sont soumises aux lois de la dynamique quantique.
Depuis un quart de siècle, les physiciens utilisent le refroidissement par laser pour refroidir des atomes à des températures ridiculement basses. En forçant l’atome à absorber et à réémettre un photon (une particule de lumière), les physiciens peuvent modifier et manipuler la quantité de mouvement (vibrations) des atomes.
La température de ces derniers est liée à leurs mouvements les uns par rapport aux autres. Mais s’ils se déplacent tous à la même vitesse et dans la même direction, plus leur température est basse.
En utilisant le réseau d’atomes d’ytterbium refroidis par laser, les physiciens ont pu simuler le comportement de matériaux magnétiques et supraconducteurs. L’un de ces comportements implique un comportement collectif des électrons semblable à celui d’une foule de personnes exécutant « la vague » dans un stade.
Ils ont comparé leur simulation expérimentale aux résultats théoriques de ces matériaux magnétiques quantiques décrits par le modèle mathématiquement complexe de Hubbard, créé en 1963 par le physicien théoricien John Hubbard.
Leur analyse a montré qu’ils avaient atteint des températures record.
Selon Hazzard :
En comparant leurs mesures à nos calculs, nous pouvons déterminer la température. La température record est obtenue grâce à une nouvelle physique amusante qui a trait à la très grande symétrie du système.
Lorsque les physiciens parlent de symétrie, ils font référence aux transformations que l’on peut effectuer sur un système donné (par exemple, une rotation de 90 degrés) et qui n’entraînent aucun changement dans les caractéristiques physiques du système.
Le modèle de Hubbard simulé à Kyoto utilisait la symétrie de « spin » dans l’ytterbium.
Le spin est l’une de ces étranges qualités quantiques qui n’a pas d’équivalent réel dans notre vie quotidienne. La mécanique quantique nous apprend qu’il existe plusieurs types de moment angulaire. Le moment angulaire orbital est simple : il se produit lorsqu’une particule, comme un électron chargé négativement, se met en orbite autour d’une force centrale, comme celle fournie par la charge positive d’un noyau atomique.
Le moment cinétique de spin, en revanche, est un peu plus complexe. La meilleure façon de le décrire est de dire que les particules « tournent » sur leur propre axe. Mais, étant donné que les particules n’ont pas de « forme » que nous pouvons vraiment imaginer (ce ne sont pas des sphères), il est difficile d’imaginer ce que cela signifie réellement.
Il existe six arrangements possibles des états de spin des électrons de l’enveloppe externe, de sorte que l’ytterbium possède six états de spin, ce que les mathématiques appellent un groupe spécial unitaire, ou ici SU(6). Le simulateur de Kyoto est le premier au monde à révéler des corrélations magnétiques dans un modèle de Hubbard SU(6). Cela signifie que l’alignement magnétique quantique d’un atome affecte les autres.
Plus le nombre, N, dans SU(N) est élevé, plus la complexité du système augmente.
Toujours selon Hazzard :
C’est la vraie raison de faire cette expérience. Parce que nous mourrons d’envie de connaître la physique de ce modèle SU(N) Hubbard.
Le coauteur, Eduardo Ibarra-García-Padilla, étudiant diplômé de l’université Rice, explique que le modèle de Hubbard vise à saisir les raisons fondamentales pour lesquelles les matériaux deviennent des métaux, des isolants, des aimants ou des supraconducteurs.
Selon Ibarra-García-Padilla :
L’une des questions fascinantes que les expériences peuvent explorer est le rôle de la symétrie. « Il est extraordinaire d’avoir la capacité de la concevoir en laboratoire. Si nous parvenons à le comprendre, cela pourrait nous guider vers la fabrication de matériaux réels dotés de nouvelles propriétés souhaitées.
Les expériences de Kyoto permettent d’entrevoir le fonctionnement de ces complexes systèmes quantiques en permettant aux physiciens de les observer en pleine action.
Selon Hazzard :
Pour l’instant, cette coordination est de courte portée, mais lorsque les particules sont refroidies davantage, des phases plus subtiles et plus exotiques de la matière peuvent apparaître. L’une des choses intéressantes à propos de certaines de ces phases exotiques est qu’elles ne sont pas ordonnées selon un modèle évident, et elles ne sont pas non plus aléatoires. Il existe des corrélations, mais si vous regardez deux atomes et que vous vous demandez s’ils sont corrélés, vous ne les verrez pas. Elles sont beaucoup plus subtiles. Vous ne pouvez pas observer deux, trois ou même 100 atomes. Vous devez en quelque sorte regarder l’ensemble du système.
Ces systèmes sont assez étranges et spéciaux, mais l’espoir est qu’en les étudiant et en les comprenant, nous pourrons identifier les ingrédients clés qui doivent être présents dans les matériaux réels.
Leurs conclusions sont publiées dans Nature Physics : Observation of antiferromagnetic correlations in an ultracold SU(N) Hubbard model et présentée sur le site de l’Université Rice : SU(N) matter is about 3 billion times colder than deep space.