Un groupe de recherche de l'Université Bar-Ilan, en collaboration avec des collègues français du CNRS Grenoble, a développé une expérience unique pour détecter des événements quantiques dans des films ultra-minces. Cette nouvelle recherche, à paraître dans la revue scientifique Communication Nature , améliore la compréhension des phénomènes de base qui se produisent dans des systèmes de taille nanométrique proches du zéro absolu.

Transitions, Phases et points critiques

Une transition de phase est un terme général désignant les phénomènes physiques dans lesquels un système passe d'un état à un autre à la suite d'un changement de température. Des exemples quotidiens sont la transition de la glace à l'eau (solide à liquide) à zéro degré centigrade, et de l'eau à la vapeur (liquide au gaz) à 100 degrés.

La température à laquelle la transition a lieu est appelée le point critique. Près de ce point, des phénomènes physiques intéressants se produisent. Par exemple, comme l'eau est chauffée, de petites régions gazeuses commencent à se former et les bulles d'eau. Au fur et à mesure que la température du liquide augmente vers le point critique, la taille des bulles de gaz augmente. Lorsque la taille de la bulle devient comparable à la longueur d'onde de la lumière, la lumière est dispersée et fait apparaître le liquide normalement transparent "laiteux" - un phénomène connu sous le nom d'opalescence critique.

Ces dernières années, la communauté scientifique a montré un intérêt croissant pour les transitions de phase quantiques dans lesquelles un système transite entre deux états au zéro absolu de température (-273 degrés) à la suite de la manipulation d'un paramètre physique tel que le champ magnétique, la pression ou la composition chimique au lieu de la température. Dans ces transitions, le changement se produit non pas en raison de l'énergie thermique fournie au système par le chauffage mais plutôt par des fluctuations quantiques. Bien que le zéro absolu ne soit pas physiquement atteignable, les caractéristiques de la transition peuvent être détectées dans le comportement du système à très basse température près du point critique quantique. De telles caractéristiques incluent des "bulles quantiques" d'une phase dans l'autre. La taille et la durée de vie de ces bulles quantiques augmentent à mesure que le système est réglé vers le point critique, donnant lieu à un équivalent quantique de l'opalescence critique.

La prédiction théorique d'une telle criticité quantique a été fournie il y a quelques décennies, mais comment mesurer cela expérimentalement est resté un mystère. Prof. Aviad Frydman du Département de physique et de l'Institut de nanotechnologie et des matériaux avancés de l'Université Bar-Ilan, et son élève Shachar Poran, avec le Dr Olivier Bourgeois du CNRS Grenoble, ont pour la première fois fourni la réponse.

Création d'un nano-trampoline

Dans les transitions de phase normales, il existe une quantité mesurable unique qui est utilisée pour détecter un point critique. C'est la chaleur spécifique qui mesure la quantité d'énergie thermique qui doit être fournie à un système afin d'augmenter sa température d'un degré. Augmenter la température d'un système de deux degrés nécessite le double de l'énergie nécessaire pour l'augmenter d'un degré. Cependant, proche d'une transition de phase ce n'est plus le cas. Une grande partie de l'énergie est investie dans la création des bulles (ou fluctuations) et, donc, plus d'énergie doit être investie pour générer un changement de température similaire. Par conséquent, la chaleur spécifique s'élève à proximité du point critique et sa mesure renseigne sur les fluctuations.

Mesurer la chaleur spécifique d'un système à proximité d'un point critique quantique pose un défi beaucoup plus important. Premièrement, les mesures doivent être effectuées à basse température. Deuxièmement, les systèmes à l'étude sont des couches nano-minces qui nécessitent des mesures extrêmement sensibles. Le groupe de Frydman a surmonté ces obstacles en développant une conception expérimentale unique basée sur une fine membrane suspendue dans l'air par des ponts très étroits, formant ainsi un "nano-trampoline". Cette configuration a permis des mesures de chaleur spécifiques des films minces à travers une transition de phase quantique d'un état supraconducteur à un état électriquement isolant proche du zéro absolu.

La mesure effectuée par le groupe de Frydman est la première du genre. Les résultats démontrent que tout comme dans le cas d'une transition de phase thermique, la chaleur spécifique augmente de façon similaire au voisinage d'un point critique quantique, et peut être utilisé comme une sonde pour la criticité quantique. Ce travail devrait être une étape importante dans la compréhension des processus physiques qui régissent le comportement des systèmes ultraminces à des températures ultra basses.

Le professeur Frydman présentera cette recherche lors de plusieurs conférences internationales au cours des prochaines semaines. La recherche a été soutenue par le Laboratoire d'Excellence LANEF à Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) pour le Pr Frydman.