Les scientifiques observent une phase quantique exotique une fois pensé impossible

Une équipe de chercheurs de l’Université de Rice a rapporté la première observation directe d’un phénomène quantique surprenant prédit il y a plus d’un demi-siècle, ouvrant des voies pour les applications révolutionnaires en informatique quantique, communication et détection.

Connu sous le nom de transition de phase superradiante (SRPT), le phénomène se produit lorsque deux groupes de particules quantiques commencent à fluctuer de manière collective coordonnée sans déclencheur externe, formant un nouvel état de matière.

La découverte a été faite dans un cristal composé d’erbium, de fer et d’oxygène qui a été refroidi à moins 457 Fahrenheit et exposé à un puissant champ magnétique de jusqu’à 7 Tesla (plus de 100 000 fois plus fort que le champ magnétique de la Terre), selon une étude publiée dans Avancées scientifiques.

“À l’origine, le SRPT a été proposé comme résultant d’interactions entre les fluctuations de vide quantique – les champs de lumière sur le sur le sur le sur le quantal, même dans l’espace complètement vide – et les fluctuations de la matière”, a déclaré Dasom Kim, un doctorant de riz dans le programme de diplômes de physique appliquée qui est un auteur principal de l’étude.

“Cependant, dans notre travail, nous avons réalisé cette transition en couplant deux sous-systèmes magnétiques distincts – les fluctuations de spin des ions fer et des ions erbium dans le cristal.”

Spin décrit les pôles magnétiques d’électrons ou d’autres particules et peut être envisagé comme une minuscule flèche attachée à chaque particule, tournoyant constamment et pointant dans une direction donnée. Lorsque les tours s’alignent, ils créent des motifs magnétiques à travers un matériau. Lorsque le motif de tours ondule à travers le matériau comme une vague, l’excitation collective résultante est connue sous le nom de magnon.

Jusqu’à présent, le fait qu’un SRPT puisse réellement avoir lieu ou non était soumis à un débat lorsqu’il se déroule contre une limitation – appelée “théorème de non-go” en physique théorique – en provenance de systèmes basés sur la lumière. En mettant en scène un SRPT dans un cristal magnétique basé sur les interactions entre deux sous-systèmes de spin, les chercheurs ont pu contourner cette barrière, créant une version magronique du phénomène.

Plus précisément, les magnons des ions de fer jouent le rôle traditionnellement attribué aux fluctuations de vide, et les spins des ions erbium représentent les fluctuations de la matière.

En utilisant des techniques spectroscopiques avancées, les chercheurs ont observé des signatures indubitables d’un SRPT, avec le signal énergétique d’un mode de spin disparaissant et un autre montrant un changement ou un pli clair. Ces empreintes digitales spectrales correspondent exactement à ce que la théorie prédit pour entrer dans la phase superradiante, donnant à l’équipe une grande confiance qu’ils avaient effectivement cajolé l’état recherché depuis longtemps.

“Nous avons établi un couplage ultrastrong entre ces deux systèmes de spin et observé avec succès un SRPT, surmontant les contraintes expérimentales précédentes”, a déclaré Kim.

Les chercheurs sont excités non seulement parce qu’une prédiction physique de 50 ans a été confirmée, mais aussi en raison de ce que cela pourrait signifier pour la technologie quantique. Les états quantiques collectifs du SRPT ont des propriétés uniques qui pourraient être exploitées pour les technologies quantiques de nouvelle génération.

“Près du point critique quantique de cette transition, le système stabilise naturellement les états quantiques – où le bruit quantique est considérablement réduit – améliorant considérablement la précision de mesure”, a déclaré Kim. “Dans l’ensemble, cette idée pourrait révolutionner les capteurs quantiques et les technologies informatiques, faisant progresser considérablement leur fidélité, leur sensibilité et leur performance.”

Sohail Dasgupta, étudiant diplômé de Rice travaillant avec Kaden Hazzard, professeur agrégé de physique et d’astronomie, a théoriquement modélisé le SRPT, en s’appuyant sur un modèle développé par leur collaborateur et co-auteur Motoaki Bamba, professeur à la Yokohama National University.

“Bien que le modèle mathématique de base ait déjà été présenté auparavant par Motoaki, nous devions tenir compte de certaines des propriétés magnétiques spécifiques du matériel pour obtenir les résultats précis. Lorsque votre théorie correspond aux données expérimentales ⎯ qui se produit plutôt rarement ⎯, c’est le meilleur sentiment pour un scientifique”, a déclaré Dasgupta.

Hazzard a déclaré que la réalisation montre que les concepts de l’optique quantique peuvent être traduits en matériaux solides.

“Cela ouvre une nouvelle façon de créer et de contrôler les phases de la matière en utilisant des idées de l’électrodynamique quantique de la cavité”, a déclaré Hazzard.

De plus, le cristal utilisé dans cette étude est un exemple d’une classe plus large de matériaux, ce qui signifie que la recherche ouvre la voie à l’exploration de phénomènes quantiques dans d’autres matériaux avec des composants magnétiques en interaction similaire.

“La démonstration d’une forme de SRPT entièrement entraînée en coupant deux fluctuations de matière interne marque une percée importante en physique quantique, établissant un nouveau cadre pour comprendre et exploiter les interactions quantiques intrinsèques au sein des matériaux”, a déclaré Junichiro Kono, Karl F. Hasselmann Professor of Engineering, professeur d’études électriques et d’ingénierie informatique et de sciences des matériaux et de NanoEngineering et de l’étude.