Des chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE) et des collaborateurs multi-institutionnels étudient le BACOVO, un matériau quantique unidimensionnel. Ils rapportent que le matériau présente une nouvelle transition de phase topologique régie par deux types d'excitation topologique. En outre, ils pouvaient choisir lequel des deux types dominerait l'autre. Leurs recherches sont publiées dans la revue Physique de la nature .

Les chercheurs se sont appuyés sur les travaux des lauréats du prix Nobel de physique 2016, David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz. Les trois physiciens ont prédit qu'un ensemble d'excitations topologiques dans un matériau quantique est susceptible d'induire une transition de phase. De nombreuses théories ont été développées sur ces excitations topologiques, y compris la faisabilité de combiner deux d'entre eux dans un seul matériau. Mais est-ce une possibilité réelle ? Et si oui, ce qui se passerait? Les équipes de l'UNIGE et du CEA, Le CNRS et l'UGA ont pu apporter la première confirmation expérimentale de la théorie prédisant l'existence de deux ensembles simultanés d'excitations topologiques et la compétition entre eux. Les découvertes constituent une petite révolution dans le monde mystérieux des propriétés quantiques.

Les chercheurs du CEA, CNRS, et l'Université Grenoble Alpes travaillaient sur un matériau antiferromagnétique unidimensionnel aux propriétés particulières :BACOVO (BaCo 2 V 2 O 8 ). "Nous avons réalisé différentes expériences sur BACOVO, un oxyde caractérisé par sa structure hélicoïdale, " ont écrit les chercheurs. Mais les résultats expérimentaux ont mis en évidence une transition de phase déroutante - c'est pourquoi l'équipe a fait appel à Thierry Giamarchi, professeur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Giamarchi dit, « Sur la base de leurs résultats, nous avons établi des cadres théoriques capables de les interpréter. Ces modèles théoriques ont ensuite été testés à nouveau à l'aide de nouvelles expériences afin qu'ils puissent être validés. »

L'objectif était de comprendre comment agissent les propriétés quantiques de BACOVO, surtout leurs excitations topologiques. Quentin Faure, Doctorant à l'Institut des nanosciences et de la cryogénie (CEA/UGA) et à l'Institut Néel, dit, "Dans ce but, nous avons utilisé la diffusion de neutrons, ce qui signifie que nous avons envoyé un faisceau de neutrons sur le matériau. Les neutrons se comportent comme de petits aimants qui interagissent avec ceux de BACOVO, selon une stratégie qualifiée de « déranger pour révéler, "nous aider à comprendre leurs propriétés." Lorsque le modèle développé à l'UNIGE correspond à l'expérience, il devient le modèle standard du matériau. Le professeur Giamarchi dit, "Le modèle que nous avons établi avec Shintaro Takayoshi a prédit exactement le résultat observé dans l'expérience."

Mais cette expérience a également conduit à une découverte que les scientifiques n'avaient pas anticipée. "Après avoir opté pour le modèle standard de BACOVO, nous avons observé des propriétés inattendues, " dit Shintaro Takayoshi, chercheur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, BACOVO développe un deuxième ensemble d'excitations topologiques qui sont en compétition avec le premier, confirmant les théories des années 1970 et 1980 organisées autour du champ ouvert par les travaux des scientifiques Nobel. « En plus de prouver l'existence de cette confrontation entre deux ensembles d'excitations topologiques au sein d'un même matériau - un événement sans précédent - nous avons pu contrôler expérimentalement quel ensemble dominerait l'autre, " ajoute Takayoshi.

Ce qui était à l'origine une hypothèse théorique est devenu une expérience vérifiée. L'analyse approfondie de BACOVO entreprise par les physiciens a prouvé que deux ensembles d'excitations topologiques s'affrontent directement dans un même matériau et contrôlent l'état de la matière, qui diffère selon l'ensemble dominant, produisant une transition de phase quantique. Par ailleurs, les scientifiques ont réussi à contrôler quel ensemble prévaut, ce qui signifie qu'ils pourraient ajuster l'état de la matière de BACOVO à volonté. « Ces résultats ouvrent tout un éventail de possibilités en termes de recherche en physique quantique, " conclut le professeur Giamarchi. " C'est vrai qu'on est encore au niveau fondamental, mais c'est grâce à ce genre de découverte que nous nous rapprochons chaque jour des applications des propriétés quantiques des matériaux - et pourquoi pas des ordinateurs quantiques ?"