Au cours des dernières années, certains matériaux sont devenus un terrain d'essai pour les physiciens. Ces matériaux ne sont pas exactement faits de quelque chose de spécial - des particules ordinaires, des protons, des neutrons et des électrons. Mais ils sont plus que la somme de leurs parties. Ces matériaux ont toute une gamme de propriétés et de phénomènes intéressants, et ont parfois même conduit les physiciens à de nouveaux états de la matière - en plus du solide, du gaz et du liquide, que nous connaissons depuis l'enfance.
Un type de matériau qui préoccupe particulièrement les physiciens est l'isolant topologique - et, plus largement, les phases topologiques dont les fondements théoriques ont conduit leurs inventeurs au prix Nobel en 2016. À la surface d'un isolant topologique, les électrons circulent en douceur, mais à l'intérieur, ils restent immobiles. La surface est comme un conducteur métallique et l'intérieur est comme un isolant en céramique. Les isolants topologiques ont attiré l'attention pour leur physique extraordinaire, ainsi que pour leurs applications potentielles dans les ordinateurs quantiques et les dispositifs dits spintroniques qui utilisent le spin des électrons et leur charge.
Ce comportement exotique n'est pas toujours évident. «Vous ne pouvez pas simplement dire cela, en regardant un matériau au sens traditionnel du terme, qu'il ait ce genre de propriétés ou non», déclare Frank Wilczek, physicien au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel de physique en 2004.
Qu'est-ce qu'une atmosphère quantique?
Il s'avère que de nombreux matériaux apparemment ordinaires peuvent contenir des propriétés cachées, mais inhabituelles et, éventuellement, utiles. Dans un article récemment publié, Wilchek et Kin-Dong Zhang, un physicien de l'Université de Stockholm, ont proposé une nouvelle façon d'explorer ces propriétés: en étudiant l'aura subtile qui entoure le matériau. Ils l'appelaient l'atmosphère quantique.
Cette atmosphère pourrait révéler certaines des propriétés quantiques fondamentales du matériau que les physiciens pourraient alors mesurer. S'il est confirmé par des expériences, ce phénomène ne sera pas seulement l'une des rares manifestations macroscopiques de la mécanique quantique, dit Wilczek, mais il deviendra également un outil puissant pour la recherche de nouveaux matériaux.
«Si vous me demandiez si quelque chose comme ça pouvait arriver, je dirais que l'idée a du sens», dit Taylor Hughes, théoricien de la matière condensée à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Et il ajoute: "Je suppose que l'effet sera très faible." Dans leur nouvelle analyse, cependant, Zhang et Vilchek ont calculé qu'en principe, l'effet atmosphérique quantique se situerait dans la plage détectable.
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De plus, note Wilchek, de tels effets pourraient être détectés très bientôt.
Zone d'impact
L'atmosphère quantique, explique Wilczek, est une mince zone d'influence autour d'un matériau. Il découle de la mécanique quantique que le vide n'est pas complètement vide; il est rempli de fluctuations quantiques. Par exemple, si vous prenez deux plaques non chargées et les placez côte à côte dans le vide, seules les fluctuations quantiques avec des longueurs d'onde plus courtes que la distance entre les plaques peuvent se faufiler entre elles. Mais de l'extérieur, les fluctuations de toutes les longueurs d'onde tomberont sur les plaques. Il y aura plus d'énergie à l'extérieur qu'à l'intérieur, ce qui amènera la force combinée à serrer les plaques ensemble. C'est l'effet Casimir et il est similaire à l'effet de l'atmosphère quantique, dit Wilczek.
Tout comme une plaque détecte une force plus forte lorsqu'elle s'approche d'une autre, une sonde à aiguille ressentira l'effet de l'atmosphère quantique lorsqu'elle s'approche d'un matériau. «C'est comme une atmosphère normale», dit Wilchek. "Plus vous en êtes proche, plus son impact est grand." Et la nature de cet impact dépend des propriétés quantiques du matériau lui-même.
L'antimoine peut agir comme un isolant topologique - matériau qui fonctionne comme un isolant partout sauf la surface.
Ces propriétés peuvent être très différentes. Certains matériaux agissent comme des univers séparés avec leurs propres lois physiques, comme s'ils étaient dans le multivers des matériaux. «Une idée très importante de la physique de la matière condensée moderne est que nous avons des matériaux à notre disposition - disons des isolants topologiques - dans lesquels un ensemble différent de règles opèrent», explique Peter Armitage, physicien de la matière condensée à l'Université Johns Hopkins.
Certains matériaux agissent comme des monopôles magnétiques - des aimants ponctuels avec un pôle nord mais pas de pôle sud. Les physiciens ont également découvert les soi-disant quasiparticules et quasiparticules de charge électrique fractionnée, qui agissent comme leur propre antimatière et peuvent s'annihiler.
Si des propriétés exotiques similaires existaient dans d'autres matériaux, elles pourraient se révéler dans des atmosphères quantiques. Une multitude de nouvelles propriétés pourraient être découvertes simplement en sondant les atmosphères des matériaux, dit Wilchek.
Pour démontrer leur idée, Zhang et Wilchek se sont concentrés sur un ensemble inhabituel de règles - l'électrodynamique axiale - qui peuvent conduire à des propriétés uniques. Wilchek a proposé cette théorie en 1987 pour démontrer comment une particule hypothétique appelée axion pouvait interagir avec l'électricité et le magnétisme. (Auparavant, les physiciens avaient proposé un axion pour résoudre l'un des plus grands mystères de la physique: pourquoi les interactions impliquant une force forte restent les mêmes si les particules sont remplacées par des antiparticules et réfléchies dans un miroir, en préservant la symétrie de charge et de parité (symétrie CP). Jusqu'à ce jour, personne n'en avait trouvé confirmation de l'existence des axions, même s'il n'y a pas si longtemps, ils ont suscité un intérêt accru en tant que candidats à la matière noire.
Bien que ces règles ne fonctionnent pas dans la plupart des endroits de l'univers, elles se manifestent tout à fait à l'intérieur d'un matériau - tel qu'un isolant topologique. «La façon dont les champs électromagnétiques interagissent dans ces nouvelles substances, les isolants topologiques, est essentiellement la même que s'ils interagissaient avec une collection d'axions», explique Wilczek.
Défauts dans les diamants
Si un matériau tel qu'un isolant topologique obéit aux lois de l'électrodynamique axiale, son atmosphère quantique peut réagir à tout ce qui le traverse. Zhang et Vilchek ont calculé qu'un tel effet serait similaire à la manifestation d'un champ magnétique. En particulier, ils ont constaté que si vous mettez un système particulier d'atomes ou de molécules dans l'atmosphère, leurs niveaux d'énergie quantique changent. Les scientifiques peuvent mesurer le changement de ces niveaux en utilisant des méthodes de laboratoire standard. «C'est une idée inhabituelle mais intéressante», déclare Armitage.
L'un de ces systèmes potentiels est une sonde en diamant avec ce que l'on appelle des lacunes à substitution azote (centres NV). Un centre NV est une sorte de défaut dans la structure cristalline d'un diamant, lorsqu'un atome de carbone d'un diamant est remplacé par un atome d'azote et qu'un endroit proche de l'azote reste vide. L'état quantique d'un tel système est très sensible, ce qui permet aux centres NV de détecter même les champs magnétiques les plus faibles. Cette propriété en fait des capteurs puissants qui peuvent être utilisés à des fins très diverses en géologie et en biologie.
L'article de Zhang et Vilchek, qu'ils ont soumis à Physical Review Letters, ne décrit que l'influence atmosphérique quantique dérivée de l'électrodynamique axionique. Pour déterminer quelles autres propriétés affectent l'atmosphère, dit Wilchek, d'autres calculs doivent être effectués.
Briser la symétrie
En substance, les propriétés que révèlent les atmosphères quantiques sont représentées par des symétries. Les différentes phases d'une substance et les propriétés qui leur correspondent peuvent être représentées sous forme de symétries. Dans un cristal solide, par exemple, les atomes sont disposés dans un réseau symétrique qui se déplace ou tourne pour former des motifs cristallins identiques. Lorsque vous le chauffez, les liaisons se rompent, la structure en treillis s'effondre, le matériau perd sa symétrie et devient liquide en un sens.
Les matériaux peuvent briser d'autres symétries fondamentales, telles que la symétrie temporelle réciproque, à laquelle la plupart des lois de la physique obéissent. Les phénomènes peuvent être différents si vous les réfléchissez dans un miroir et rompez la symétrie de parité.
Si ces symétries peuvent être brisées dans le matériau, alors nous pourrions observer des transitions de phase inconnues auparavant et des propriétés potentiellement exotiques. Un matériau avec une certaine rupture de symétrie provoquera la même panne dans une sonde qui traverse l'atmosphère quantique, dit Wilczek. Par exemple, dans une substance qui suit la thermodynamique axionique, les symétries du temps et de la parité sont brisées, mais en combinaison, elles ne le sont pas. En touchant l'atmosphère du matériau, vous pouvez savoir si et dans quelle mesure il rompt la symétrie.
Wilchek dit qu'il a déjà discuté de l'idée avec les expérimentateurs. De plus, ces expériences sont tout à fait réalisables, même pas en années, mais en semaines et en mois.
Si tout fonctionne, le terme «atmosphère quantique» trouvera une place permanente dans le lexique des physiciens. Wilczek avait déjà inventé des termes tels que axions, anions (quasi-particules qui peuvent être utiles pour l'informatique quantique) et cristaux de temps. Les atmosphères quantiques peuvent également persister.
Ilya Khel
