Liquide de Bose chiral : un système quantique frustré crée une nouvelle forme de matière
Une "machine à frustration" étudie le comportement de la matière dans des états très exotiques. Des phénomènes étranges apparaissent alors, qui intéressent également les ordinateurs quantiques.
Des spécialistes ont découvert une nouvelle phase de la matière, appelée liquide de Bose chiral, lors d'expériences sur des semi-conducteurs spécialement disposés. Comme le rapporte l'équipe de Rui-Rui Du de l'Université de Pékin, cette phase inhabituelle se forme dans un système quantique "frustré" dans lequel un déséquilibre l'empêche d'atteindre un véritable état fondamental énergétique. Des phénomènes très exotiques peuvent ainsi se produire dans de tels systèmes. Selon la publication dans "Nature", le liquide de Bose chiral est composé d'électrons qui, à très basse température, adoptent un état ordonné dans lequel les particules individuelles sont intriquées quantiquement sur de longues distances. Cet état est exceptionnellement stable et n'est pas perturbé par des interactions avec d'autres particules ou par des champs magnétiques supplémentaires. Cela rend cette découverte intéressante pour le stockage de données stables pour les ordinateurs quantiques.
Le groupe de travail qualifie sa construction de "machine à frustrer" les électrons : Elle permet de créer potentiellement de nombreux états de matière exotiques de ce type. Elle se compose de deux couches de semi-conducteurs aux propriétés différentes. La couche supérieure contient des électrons libres, tandis que la couche inférieure contient des "trous", c'est-à-dire des espaces quasi vides qui se comportent comme des particules chargées positivement et peuvent se combiner avec des électrons. Les deux se combinent pour former des quasi-particules appelées excitons. L'équipe de Du a configuré les semi-conducteurs de manière à ce que celui du bas contienne beaucoup plus de trous libres que celui du haut contienne des électrons. Ces derniers peuvent donc former des excitons d'énergie presque égale avec plusieurs trous ; de ce fait, l'ensemble du système n'a pas d'état fondamental bien défini de basse énergie, ce que l'on appelle la frustration.
Le liquide de Bose chiral est créé parce que ces électrons et ces trous de même énergie se déplacent chacun dans des canaux où toutes les particules ont la même orientation de spin. Lorsque le groupe de travail applique le champ magnétique, ces canaux d'orientation de spin différente s'éloignent les uns des autres. Le liquide de Bose chiral se forme alors. Celui-ci présente un certain nombre de propriétés étranges. Les particules impliquées sont intriquées quantiquement sur des distances assez grandes et leur orientation de spin commune est très stable par rapport aux perturbations. Outre la possibilité, du moins théorique, d'utiliser un jour de tels systèmes dans des ordinateurs quantiques, ces systèmes quantiques frustrés sont intéressants sur le plan des principes. Ce sont des cas particuliers dans lesquels les particules interagissent de manière très étrange. De nouvelles phases de la matière, comme le liquide de Bose chiral, peuvent éventuellement, grâce à leurs propriétés exotiques, apporter de nouvelles connaissances sur le fonctionnement global du monde subatomique.
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Photo de couverture : Shutterstock / Sola Solandra
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