Une partie massive de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge est montrée pendant sa phase de construction dans les années précédentes. Le trou au centre est l'endroit où est placé le cristal cible pour la diffusion des neutrons. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
Dans un nouveau cristal exotique, le physicien Martin Mourigal a observé de fortes indications d'action « effrayante », et beaucoup. Les résultats de ses expériences, si corroboré dans le temps, signifierait que le type de cristal est un nouveau matériau rare qui peut abriter un liquide de spin quantique.
Actuellement, on pense que seule une petite poignée de matériaux possède ces propriétés. Ce nouveau cristal a été synthétisé pour la première fois il y a seulement un an. La corroboration par d'autres physiciens des données expérimentales nouvellement produites par Mourigal pourrait prendre une décennie ou plus.
Confus? Rencontrez la physique quantique
Un "liquide" trouvé à l'intérieur d'un objet solide peut sembler déroutant pour de nombreuses personnes.
Bienvenue dans les matériaux quantiques, partie de la zone crépusculaire appelée physique quantique, que les scientifiques luttent depuis un siècle pour saisir un nanomètre à la fois. Bien que beaucoup de choses à ce sujet soient encore inconnues, la physique quantique décrit la réalité sous-jacente de la matière.
Le fonctionnement des ordinateurs, téléphones portables, les supraconducteurs et les appareils d'IRM en sont basés. Mais ses lois sur le domaine atomique défient la perception humaine de ce qui est réel, et certains semblent si absurdes qu'ils sont devenus des casse-têtes scientifiques populaires.
« Liquide » dans un enchevêtrement « effrayant »
Prenez l'intrication quantique, le cœur des recherches de Mourigal sur le cristal :Si deux particules, électrons par exemple, s'emmêler, ils peuvent être physiquement séparés de plusieurs kilomètres, et être toujours intimement liés les uns aux autres. Les actions appliquées à une particule affectent alors instantanément l'autre.
En premier, cette théorie était trop bizarre même pour le père de la relativité, Albert Einstein, qui l'a qualifié d'"action effrayante à distance".
L'enchevêtrement a depuis été prouvé expérimentalement, mais maintenant des scientifiques comme Mourigal, un physicien expérimental au Georgia Institute of Technology, et son équipe, l'ont poussé beaucoup plus loin. Le cristal synthétique qu'il a examiné, un composé d'ytterbium de formule YbMgGaO4, regorge probablement de connexions « effrayantes » observables.
Mourigal, l'ancien boursier postdoctoral Joseph Paddison et l'étudiant diplômé Marcus Daum ont publié leurs observations dans le journal Physique de la nature le lundi, 5 décembre 2016. Ils ont collaboré avec des collègues de l'Université du Tennessee et du Laboratoire national d'Oak Ridge. Les travaux ont été financés par la National Science Foundation et le département américain de l'Énergie.
Représentation d'artiste de spins électroniques dans le réseau cristallin d'ytterbium (formule YbMgGaO4) à différentes phases de l'expérience qui a détecté des signes forts d'un liquide de spin quantique observable apparaissant près du zéro absolu. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge / Jill Hemman
Rêves d'informatique quantique
Cet enchevêtrement « effrayant » massif fait d'un système d'électrons un « liquide » de spin quantique. Le terme ne s'entend pas au sens courant, comme dans l'eau. Ici, il décrit la nature collective des spins des électrons dans le cristal.
"Dans un spin' liquide, ' les directions des vrilles ne sont pas bien alignées, mais fou, bien que les spins soient interconnectés, alors que dans un spin 'solide' les directions de spin ont une organisation soignée, " dit Mourigal.
Si la découverte tient, cela pourrait ouvrir la porte à des centaines de matériaux liquides à spin quantique encore inconnus qui, selon les physiciens, doivent exister selon la théorie et les équations mathématiques. Dans un futur lointain, de nouveaux matériaux quantiques pourraient devenir, selon les normes d'aujourd'hui, pierres de sorciers virtuels entre les mains des ingénieurs en informatique quantique.
Le succès du cristal d'ytterbium à Pékin ?
Le cristal d'ytterbium a été synthétisé pour la première fois il y a un an par des scientifiques chinois, où le gouvernement de Pékin a investi massivement dans l'espoir de créer des matériaux quantiques synthétiques dotés de nouvelles propriétés. Il semble qu'ils aient maintenant réussi, dit Mourigal, professeur adjoint à la Georgia Tech's School of Physics.
"Imaginez un état de la matière où cet enchevêtrement n'implique pas deux électrons mais implique, Trois, cinq, 10 ou 10 milliards de particules toutes dans le même système, " dit Mourigal. " Vous pouvez créer un très, état de la matière très exotique basé sur le fait que toutes ces particules sont enchevêtrées les unes dans les autres. Il n'y a plus de particules individuelles, mais un énorme ensemble d'électrons agissant collectivement."
L'un des seuls liquides de spin quantique apparent précédemment observé se trouve dans un cristal naturel appelé herbertsmithite, une pierre vert émeraude trouvée en 1972 dans une mine au Chili. Il a été nommé d'après le minéralogiste Herbert Smith, décédé près de 20 ans avant la découverte.
Les chercheurs ont observé sa nature liquide de spin apparente en 2012 après que des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology aient réussi à reproduire un morceau purifié du cristal dans leur laboratoire.
Encyclopédie des liquides d'essorage
Cette découverte initiale n'était que le début d'une odyssée. En raison de sa composition chimique, herbertsmithite ne produit qu'un seul schéma d'enchevêtrement. Les maths de physique disent qu'il doit y en avoir des myriades d'autres.
"Trouver l'herbertsmithite, c'était comme dire, « les animaux existent ». Mais il y a tellement d'espèces différentes d'animaux, ou des mammifères, ou du poisson, reptiles et oiseaux, " dit Mourigal. " Maintenant que nous en avons trouvé un, nous recherchons différents types de liquides d'essorage."
Le minuscule cristal YbMgGaO4 a été reproduit par des physiciens de l'Université du Tennessee. Le cristal, ici perché sur un stand pour tester, semble être le prochain matériau extrêmement rare à abriter un liquide de spin quantique observable tout aussi rare. Crédit :Georgia Tech / Martin Mourigal
Plus les physiciens expérimentateurs confirment les liquides de spin, les physiciens les plus théoriciens pourront s'en servir pour s'intéresser à la physique quantique. "Il est important d'en créer l'encyclopédie, " dit Mourigal. " Ce nouveau cristal n'est peut-être que notre deuxième ou troisième entrée. "
Ce que la diffusion des neutrons a révélé
Des physiciens de l'Université du Tennessee ont réussi à reproduire le cristal d'ytterbium original, et Mourigal l'a examiné au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), où il a été refroidi à une température de -273,09 degrés Celsius (0,06 degrés Kelvin).
Le refroidissement a ralenti le mouvement naturel des atomes jusqu'à un arrêt proche, qui a permis aux chercheurs d'observer la danse des spins des électrons autour des atomes d'Ytterbium (Yb) dans le cristal YbMgGaO4. Ils ont utilisé un puissant aimant supraconducteur pour aligner les spins de manière ordonnée afin de créer un point de départ pour leurs observations.
« Ensuite, nous avons supprimé le champ magnétique, et qu'ils retournent à leur genre spécial de se tortiller, " a déclaré Mourigal. Son équipe a effectué les observations à la source de neutrons de spallation ORNL, une installation utilisateur de l'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis. Le SNS a à peu près la puissance et la taille d'un supercollisionneur de particules, et a permis aux scientifiques d'observer le concert des spins des électrons en les bombardant de neutrons.
Normalement, quand un électron retourne son spin, les chercheurs s'attendraient à ce qu'il crée une réaction en chaîne nette, résultant en une onde traversant le cristal. La vague de spins d'électrons qui se retournent en séquence pourrait ressembler à des fans d'un match de football debout et s'asseyant pour faire circuler une vague autour du stade.
Mais quelque chose d'étrange s'est produit. "Ce genre de vague de spin confuse s'est décomposée en de nombreuses autres vagues, car tout est collectif, tout est enchevêtré, " dit Mourigal. " C'était un continuum d'excitations, mais s'effondrant sur plusieurs électrons à la fois."
Il était qualitativement similaire à ce qui a été observé en utilisant la même technique sur herbertsmithite.
Donut de topologie du prix Nobel
Pour authentifier les observations faites par l'équipe de Mourigal, les physiciens théoriciens devront analyser les données avec des méthodes qui, en partie, s'appuyer sur la topologie, un objectif du prix Nobel de physique 2016. Mourigal pense que les chances sont qu'ils passeront le rassemblement. « À première vue, ce matériel crie, 'Je suis un liquide de spin quantique, '" il a dit.
Mais il doit subir une batterie d'années de tests mathématiques rigoureux. Les physiciens théoriciens enrouleront les données autour d'un "donut" mathématique pour confirmer s'il s'agit ou non d'un liquide de spin quantique.
"Cela veut dire sérieusement, " dit Mourigal. " Comme exercice mental mathématique, ils étalent virtuellement le liquide d'essorage autour d'une forme de beignet, et la façon dont il réagit au fait d'être sur un beignet vous dit quelque chose sur la nature de ce liquide d'essorage."
Bien que les particules enchevêtrées semblent défier l'espace et le temps, la forme de l'espace qu'ils occupent affecte la nature du motif d'enchevêtrement.
La possibilité d'un liquide de spin quantique a été démontrée pour la première fois dans les années 1930, mais uniquement en utilisant des atomes placés en ligne droite. Depuis des décennies, les physiciens recherchent des matériaux les contenant.
