Les caractéristiques particulières démontrées par les points critiques quantiques au zéro absolu restent l'un des grands mystères non résolus de la science.

Normalement, il faut un changement de température pour voir une transition de phase :un liquide se refroidit, il gèle; un métal chauffe, il perd ses propriétés magnétiques. Mais il y a des transitions de phase dans lesquelles la température ne peut pas changer, car ils se produisent juste au zéro absolu. Les points critiques quantiques où de telles transitions ont lieu font l'objet de recherches intensives depuis de nombreuses années, pourtant, ils sont toujours extrêmement déroutants pour les physiciens quantiques.

Jusqu'à maintenant, par exemple, il n'y a pas eu de modèle théorique complet pour la supraconductivité à haute température qui est soupçonnée d'être étroitement liée aux points critiques quantiques - bien qu'un tel modèle puisse générer de nombreuses applications techniques utiles. Thomas Schäfer, Karsten Held et Alessandro Toschi de l'Institute of Solid State Physics de la TU Wien travaillent à une meilleure compréhension de ces phénomènes, publier leurs nouvelles idées sur ce domaine dans la revue Lettres d'examen physique .

Fluctuations :si ça peut trembler, ça va trembler

"Les fluctuations thermiques sont généralement responsables des transitions de phase, " explique Thomas Schäfer. " Les particules individuelles commencent à trembler ou à tourner, par exemple, complètement au hasard. Plus la température est élevée, plus ces fluctuations deviennent prononcées, ce qui peut conduire à une transition de phase - faisant fondre un solide, par exemple."

Lorsque vous réduisez la température, les particules se déplacent de moins en moins, jusqu'à ce qu'ils atteignent le zéro absolu, à ce moment-là, ils ne devraient plus bouger du tout. Donc, on pourrait supposer que le calme total aura été rétabli au zéro absolu, comme rien ne peut plus changer... mais ce n'est pas aussi simple que cela.

"La physique quantique affirme qu'il est impossible pour une particule d'être complètement au repos dans un endroit spécifique, " dit Alessandro Toschi. " Le principe d'incertitude de Heisenberg nous dit que la position et l'élan ne peuvent pas être déterminés avec une précision totale. Par conséquent, la position et la quantité de mouvement d'une particule peuvent encore changer au zéro absolu, même si les fluctuations thermiques classiques ne sont plus présentes. Ces changements sont connus sous le nom de fluctuations quantiques. »

Donc, quand il fait trop froid pour les mouvements de secousses classiques, la physique quantique garantit que des choses physiquement intéressantes peuvent encore se produire. Et c'est exactement pourquoi les transitions de phase au zéro absolu sont si fascinantes à l'infini.

Dynamisme et énergie

"Ce qui est crucial pour le comportement des particules, c'est la relation entre leur quantité de mouvement et l'énergie, " dit Thomas Schäfer. Pour une balle lancée dans les airs, la corrélation est simple :plus la quantité de mouvement est grande, plus l'énergie cinétique est grande. L'énergie augmente comme le carré de la quantité de mouvement. Mais pour les particules dans un solide, cette relation est beaucoup plus compliquée, et peut être très différent, en fonction de la direction dans laquelle la particule se déplace. Par conséquent, cette connexion est modélisée à l'aide de 'surfaces de Fermi', capables de prendre des formes tridimensionnelles complexes.

"Jusqu'à maintenant, on pensait que la forme de ces surfaces de Fermi n'était pas significative en termes de transitions de phase quantiques, " dit Karsten Held. " Nous avons pu montrer que ce n'est pas le cas. Ce n'est que si vous tenez compte de la forme que vous pouvez calculer avec précision certains effets physiques - par exemple, la manière dont les propriétés magnétiques d'un matériau changeront à mesure qu'il approche du zéro absolu. »

Les chercheurs espèrent maintenant utiliser ce nouvel outil pour mieux décrire les matériaux quantiques critiques – et peut-être faire la lumière sur certains des grands mystères que la science des matériaux s'efforce de résoudre depuis tant d'années.