Les Physiciens ont Amadoué des Atomes Ultrafroids en une Forme Insaisissable de Matière Quantique.


Les Physiciens ont Amadoué des Atomes Ultrafroids en une Forme Insaisissable de Matière Quantique

Une forme insaisissable de matière appelée liquide de spin quantique n'est pas un liquide, et elle ne tourne pas - mais elle est bien sûr quantique.

Prédits il y a près de 50 ans, les liquides de spin quantique ont longtemps échappé à une détection définitive en laboratoire. Mais maintenant, un réseau d'atomes ultrafroids maintenus en place avec des lasers a montré les caractéristiques de la forme de matière tant recherchée, rapportent des chercheurs dans le 3 décembre Science.

L'enchevêtrement quantique passe à l'extrême dans le matériau nouvellement façonné. Même les atomes situés sur les côtés opposés du réseau partagent un enchevêtrement, ou des liens quantiques, ce qui signifie que les propriétés des atomes distants sont corrélées les unes avec les autres. "C'est très, très enchevêtré", déclare la physicienne Giulia Semeghini de l'Université de Harvard, co-auteur de la nouvelle étude. "Si vous choisissez deux points de votre système, ils sont connectés l'un à l'autre par cet énorme enchevêtrement." Ce fort enchevêtrement à longue portée pourrait s'avérer utile pour la construction d'ordinateurs quantiques, selon les chercheurs.

Le nouveau matériau correspond aux prédictions d'un liquide de spin quantique, bien que sa composition s'écarte un peu des attentes conventionnelles. Alors que l'idée traditionnelle d'un liquide de spin quantique repose sur la propriété quantique du spin, qui donne aux atomes des champs magnétiques, le nouveau matériau est basé sur différentes bizarreries atomiques.

Un liquide de spin quantique standard devrait apparaître parmi les atomes dont les spins sont en conflit. Le spin fait agir les atomes comme de minuscules aimants. Normalement, à basse température, ces atomes alignaient leurs pôles magnétiques selon un schéma régulier. Par exemple, si un atome pointe vers le haut, ses voisins pointent vers le bas. Mais si les atomes sont disposés en triangle, par exemple, chaque atome a deux voisins qui eux-mêmes pointent dans des directions opposées. Cet arrangement ne laisse au troisième nulle part où aller – il ne peut pas s'opposer à ses deux voisins à la fois.

Ainsi, les atomes dans les liquides de spin quantique refusent de choisir (SN : 21/09/21). Au lieu de cela, les atomes se retrouvent dans une superposition, une combinaison quantique de spin vers le haut et vers le bas, et l'état de chaque atome est lié à ceux de ses compatriotes. Les atomes fluctuent constamment et ne s'installent jamais dans un arrangement ordonné de spins, de la même manière que les atomes dans un liquide normal sont dispersés plutôt qu'arrangés selon un motif répétitif régulier, d'où le nom.

Des preuves concluantes de liquides de spin quantique ont été difficiles à trouver dans les matériaux solides. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont adopté une approche différente : ils ont créé un matériau artificiel composé de 219 atomes de rubidium piégés refroidis à une température d'environ 10 microkelvins (environ -273,15° Celsius). Le réseau d'atomes, connu sous le nom de simulateur quantique programmable, permet aux scientifiques d'affiner la façon dont les atomes interagissent pour étudier des formes exotiques de matière quantique.

Dans la nouvelle expérience, plutôt que les spins des atomes soient en opposition, une propriété différente a créé un désaccord. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour placer les atomes dans des états de Rydberg, ce qui signifie que l'un des électrons d'un atome est projeté à un niveau d'énergie très élevé (SN : 29/08/16). Si un atome est dans un état de Rydberg, ses voisins préfèrent ne pas l'être. Cette configuration engendre une discorde Rydberg ou pas, analogue à la bataille de spin-up et de down dans un liquide de spin quantique traditionnel.

Les scientifiques ont confirmé l'effet liquide de spin quantique en étudiant les propriétés des atomes qui tombaient le long de boucles tracées à travers le matériau. Selon les mathématiques quantiques, ces atomes auraient dû présenter certaines propriétés propres aux liquides de spin quantique. Les résultats correspondaient aux attentes pour un liquide de spin quantique et ont révélé qu'un enchevêtrement à longue distance était présent.

Notamment, l'intrication du matériau est topologique. Cela signifie qu'il est décrit par une branche des mathématiques appelée topologie, dans laquelle un objet est défini par certaines propriétés géométriques, par exemple, son nombre de trous (SN : 10/4/16). La topologie peut protéger les informations contre la destruction : un bagel qui tombe du comptoir aura toujours exactement un trou, par exemple. Cette fonctionnalité de préservation des informations pourrait être une aubaine pour les ordinateurs quantiques, qui doivent lutter contre des informations quantiques fragiles et facilement détruites qui rendent les calculs sujets à des erreurs (SN : 6/22/20).

Selon le physicien théoricien Christopher Laumann de l'Université de Boston, qui n'a pas participé à l'étude, la question de savoir si le matériau se qualifie vraiment comme un liquide de spin quantique, même s'il n'est pas basé sur le spin, dépend de votre choix de langage. Certains physiciens utilisent le terme «spin» pour décrire d'autres systèmes avec deux options possibles, car il a les mêmes mathématiques que les spins atomiques qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas. "Les mots ont un sens, jusqu'à ce qu'ils n'en aient plus", plaisante-t-il. Tout dépend de la façon dont vous les faites tourner.


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