De nombreux phénomènes physiques peuvent être modélisés avec des mathématiques relativement simples. Mais, dans le monde quantique, il existe un grand nombre de phénomènes intrigants qui émergent des interactions de plusieurs particules - "de nombreux corps" - qui sont notoirement difficiles à modéliser et à simuler, même avec des ordinateurs puissants. Des exemples d'états quantiques de nombreux corps sans analogue classique incluent la supraconductivité, superfluides, condensation de Bose-Einstein, plasmas quark-gluon, etc. En conséquence, de nombreux modèles "quantiques à plusieurs corps" restent théoriques, avec peu de support expérimental. Maintenant, des scientifiques de l'EPFL et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont réalisé expérimentalement un nouvel état quantique à plusieurs corps dans un matériau représentant un célèbre modèle théorique appelé modèle "Shastry-Sutherland". L'ouvrage est publié dans Physique de la nature .

Bien qu'il existe plusieurs modèles à plusieurs corps unidimensionnels qui peuvent être résolus exactement, il n'y en a qu'une poignée en deux dimensions (et encore moins en trois). De tels modèles peuvent être utilisés comme phares, guider et calibrer le développement de nouvelles méthodes théoriques.

Le modèle de Shastry-Sutherland est l'un des rares modèles 2D à avoir une solution théorique exacte, qui représente l'intrication quantique par paires de moments magnétiques dans une structure en treillis carré. Une fois conçu, le modèle de Shastry-Sutherland semblait une construction théorique abstraite, mais remarquablement il a été découvert que ce modèle est réalisé expérimentalement dans le matériau Sr2Cu(BO3)2.

Mohamed Zayed dans le laboratoire d'Henrik Rønnow à l'EPFL et Christian Ruegg au PSI ont découvert que la pression pouvait être utilisée pour éloigner le matériau de la phase Shastry-Sutherland de telle manière qu'une transition de phase dite quantique vers un tout nouveau quantum l'état corporel a été atteint.

Contrairement aux transitions de phase classiques telles que la glace (solide) fondant en eau liquide puis s'évaporant sous forme de gaz, les transitions de phase quantiques décrivent les changements dans les phases quantiques à la température du zéro absolu (273,15 °C). Ils se produisent en raison de fluctuations quantiques qui sont elles-mêmes déclenchées par des changements dans les paramètres physiques, dans ce cas la pression.

Les chercheurs ont pu identifier le nouvel état quantique à l'aide de la spectroscopie neutronique, qui est une technique très puissante pour étudier les propriétés magnétiques des matériaux quantiques et des matériaux technologiques. La combinaison de la spectroscopie neutronique et des hautes pressions est très difficile, et cette expérience est parmi les premières à le faire pour un état quantique complexe.

Dans le modèle Shastry-Sutherland, les aimants atomiques, issus des spins des électrons de l'atome, sont enchevêtrés quantiques par paires de deux. Les chercheurs ont découvert que dans la nouvelle phase quantique, les aimants atomiques semblaient quantiquement enchevêtrés dans des ensembles de quatre - ce que l'on appelle des singulets de plaquettes. "Il s'agit d'un nouveau type de transition de phase quantique, et bien qu'il y ait eu un certain nombre d'études théoriques à ce sujet, il n'a jamais été étudié expérimentalement, " dit Rønnow. "Notre système peut permettre d'autres investigations sur cet état et la nature de la transition vers l'état."

Le besoin de haute pression limite ce qui est expérimentalement faisable pour le moment. Cependant, Rønnow et Ruegg construisent un nouveau spectromètre à neutrons (CAMEA) à l'Institut Paul Scherrer, qui sera prêt fin 2018, ainsi qu'un autre à la source européenne de spallation en Suède, qui deviendra opérationnel en 2023. L'état à 4 spins dans le borate de cuivre et de strontium sera parmi les premières expérimentations pour ces nouvelles machines. Comme prochaine étape, des expériences combinant pression et champs magnétiques pourraient donner accès à des phases encore inconnues des matériaux quantiques.

"La physique quantique à plusieurs corps reste un défi où la théorie n'a fait qu'effleurer la surface de la façon de la gérer, " dit Rønnow. " De meilleures méthodes pour lutter contre les phénomènes quantiques à N corps auraient des implications de la science des matériaux à la technologie de l'information quantique. "