Les condensats de Bose-Einstein sont des phases quantiques macroscopiques de la matière qui n'apparaissent que dans des conditions très particulières. En savoir plus sur ces phases de la matière pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les comportements quantiques fondamentaux et éventuellement contribuer à la future technologie quantique.

C'est pourquoi Kate Ross et Ph.D. candidat Gavin Hester, chercheurs de l'Université d'État du Colorado, sont au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour sonder un matériau appelé silicate d'ytterbium. Ross pense que le silicate d'ytterbium, le seul matériau magnétique basé sur un élément de terre rare qui montre des preuves d'un condensat de Bose-Einstein, peut détenir la clé pour comprendre les phénomènes quantiques dans d'autres aimants basés sur des éléments de terres rares. En sondant des échantillons de silicate d'ytterbium avec des neutrons, Ross espère générer une carte détaillée de ce condensat unique de Bose-Einstein, puis utiliser cette carte pour valider son hypothèse en identifiant des états quantiques exotiques dans d'autres matériaux magnétiques. Ross et ses collaborateurs discutent de leurs découvertes dans leur article publié dans la revue Lettres d'examen physique .

"Si nous pouvons mieux comprendre le condensat de Bose-Einstein que nous voyons dans ce matériau, alors nous pourrions potentiellement utiliser ces connaissances pour découvrir des états quantiques à plusieurs corps similaires dans d'autres matériaux magnétiques basés sur des éléments des terres rares, " dit Ross.

Ross explique que le condensat de Bose-Einstein, également appelée phase BEC, est un fluide quantique dans lequel les particules cessent de se comporter comme des entités individuelles et se comportent plutôt comme des ondes se déplaçant en synchronisation les unes avec les autres à travers le tissu d'un seul, système unifié. Il ne ressemble à aucun solide, liquide, gaz, ou plasma et n'apparaît qu'à des températures proches du zéro absolu, ou 0 K (environ -460°F). Les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur cet état unique de la matière, mais il y a de l'espoir que ses propriétés uniques puissent un jour contribuer à des matériaux avancés.

"Il n'y a pas de lien direct entre les condensats de Bose-Einstein et les propositions actuelles de technologie quantique. Mais nous avons aussi beaucoup à apprendre sur le comportement de ce matériau, et répondre à certaines de ces questions fondamentales sur les phénomènes quantiques sera la base des futures réalisations scientifiques, " dit Hester.

Pour commencer, on a longtemps supposé que les condensats de Bose-Einstein ne pouvaient pas apparaître dans les matériaux magnétiques à base d'éléments de terres rares, car ces interactions magnétiques particulières ne semblaient pas suffisamment isotropes pour qu'une phase BEC apparaisse. Mais, ayant observé des preuves d'une phase BEC dans le silicate d'ytterbium lors d'expériences antérieures, Ross et son équipe soupçonnent que cette hypothèse pourrait être fausse.

"Nous avons été vraiment surpris lorsque nous avons vu les preuves d'une phase BEC. Cela suggère que l'ytterbium est un ingrédient beaucoup plus polyvalent pour former des états quantiques à plusieurs corps que nous ne le pensions auparavant, " dit Ross.

Pour mieux comprendre la capacité du silicate d'ytterbium à héberger une phase BEC, Ross a utilisé l'instrument Cold Neutron Chopper Spectrometer, ou CNCS, à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL et au spectromètre à trois axes à énergie incidente fixe, ou FIE-TAX, au High Flux Isotope Reactor (HFIR) pour sonder des échantillons cristallisés de silicate d'ytterbium. Des mesures complémentaires de diffusion des rayons X et des neutrons ont été effectuées au Laboratoire national d'Argonne et au National Institute of Standards and Technology.

Ces expériences sont en cours depuis près de 4 ans. Le groupe de recherche de Ross a commencé à cultiver des échantillons de silicate d'ytterbium et à cartographier le comportement de ce matériau en 2015. Avec leurs collaborateurs, ils ont utilisé diverses sondes à la Colorado State University et à l'Université de Sherbrooke au Canada pour avoir un premier aperçu du comportement du matériau, mais ils étaient impatients d'utiliser la diffusion de neutrons pour sonder leurs échantillons.

"Les neutrons pénètrent profondément, et lorsqu'elles traversent nos échantillons, elles remuent ces particules quantiques émergentes de telle manière que nous pouvons évaluer avec précision comment ces particules se comportent dans la microstructure du silicate d'ytterbium, " dit Hester.

Pour préparer leurs échantillons à la diffusion des neutrons, Ross et ses collaborateurs ont dû couper et aligner chaque cristal individuel afin que chacun soit orienté dans la même direction. Par ailleurs, Ross a dû à la fois exposer ses échantillons de silicate d'ytterbium à un champ magnétique et utiliser une chambre de refroidissement spéciale pour les ramener à une température froide de -459,28 °F, qui est plus froid que l'espace interstellaire et très proche du zéro absolu.

« Monter cette expérience a demandé beaucoup de travail, mais les données que nous avons obtenues en valaient vraiment la peine, " dit Ross.

Ross et Hester espèrent que leur travail ne fera pas seulement la lumière sur la façon dont la phase BEC du silicate d'ytterbium est unique, mais aussi donner aux chercheurs une meilleure compréhension des phénomènes quantiques en général tels qu'ils apparaissent dans d'autres matériaux magnétiques à base d'éléments de terres rares.

"Nous sommes certainement intéressés à en savoir plus sur cette phase BEC dans le silicate d'ytterbium en particulier, mais nous espérons que ce que nous apprenons ici aidera également nos collègues à découvrir davantage d'états quantiques dans les matériaux à base de terres rares. Cette compréhension fondamentale est essentielle pour former les plates-formes matérielles des futures technologies quantiques, " dit Ross.