Le graphique A montre la chaîne d'atomes dans le simulateur quantique comme des images individuelles d'une vidéo. Le temps court de haut en bas. Au sommet, vous pouvez voir la chaîne intacte. En deuxième position, un atome est expulsé. Le holon (gris clair) se déplace plus vite que le spinon (orange). Le graphique B montre l'état de la chaîne après la trempe (rangée inférieure) dans l'image du microscope. Les atomes avec une rotation ascendante se retrouvent dans la rangée supérieure, les atomes de spin descendant se retrouvent sur la rangée inférieure et les sites sans signal contiennent des trous. Crédit :Institut Max Planck d'optique quantique
Dans les objets du quotidien, il n'y a pas de gauche sans droite ni d'avant sans arrière. Tout aussi inséparables semblent être la charge électrique de l'électron et son « spin ». Mais dans un monde quantique strictement unidimensionnel, les deux propriétés quantiques sont séparables l'une de l'autre. Cette prédiction vieille de 50 ans est maintenant confirmée par une expérience menée par une équipe du Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).
Les physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching jouent un rôle de premier plan. Pour leur démonstration réussie, qui est maintenant publié dans la revue Science (« Observation résolue dans le temps du déconfinement de la charge de spin dans les chaînes de Hubbard Fermionic »), ils ont utilisé un soi-disant simulateur quantique. Un tel ordinateur quantique spécialisé peut estimer avec précision les propriétés quantiques d'un matériau, ce qui est incroyablement difficile pour les supercalculateurs conventionnels d'aujourd'hui.
« En tant que scientifique, quand on pense à un électron, vous pensez à une unité liée avec une certaine charge électrique et un certain spin, " explique Jayadev Vijayan, doctorat étudiant dans le groupe de Christian Gross et Immanuel Bloch, directeur de l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching. Le spin peut être imaginé comme une sorte de gyroscope de mécanique quantique. Mais c'est bien plus, parce que son spin spécial transforme un électron en un fermion avec des propriétés quantiques qui constituent également la base de l'électronique des semi-conducteurs d'aujourd'hui.
Par conséquent, la charge et le spin d'un électron sont considérés comme indissociables. Mais il y a plus de 50 ans, les scientifiques ont réalisé de manière surprenante que dans un monde strictement unidimensionnel, cette unité de confiance de charge et de rotation pourrait être séparable. Si vous tirez un collier de perles ouvert droit comme une flèche, vous avez fondamentalement créé un tel monde unidimensionnel.
Dans l'expérience, les perles sont des atomes magnétiques. Dans chacun de ces atomes, il y a un électron spécial dont le spin non protégé transforme l'atome en une petite aiguille magnétique. Puisque les pôles opposés des aiguilles magnétiques s'attirent, les perles à aiguilles magnétiques voisines sur la chaîne s'alignent dans des directions opposées :un pôle nord pointe dans une position vers le haut, le prochain pôle nord voisin vers le bas, puis le suivant mais un vers le haut à nouveau, il s'agit donc d'une chaîne de vrilles alternées pointant vers le haut et vers le bas (voir figure).
C'est le point de départ de l'expérience. La prédiction dit maintenant :si une telle chaîne de perles quantiques à une dimension est perturbée, alors la charge et le spin d'un électron peuvent se séparer dans une perle atomique. Ensuite, les deux devraient courir le long de la chaîne sous forme de deux quasi-particules distinctes. Ces quasiparticules peuvent être imaginées comme un seau d'eau et un seau de sable, qui se transmettent à différentes vitesses dans une chaîne d'extinction d'incendie.
L'équipe munichoise a également été confrontée à un défi expérimental. La nanotechnologie d'aujourd'hui peut produire des "chaînes de perles" atomiques unidimensionnelles.
"Mais les électrons sont séparés par une distance de l'ordre du dixième de nanomètre, " explique le doctorant. Environ un dixième de milliardième de mètre est typique de la distance entre les atomes dans les matériaux. C'est trop petit pour être observé au microscope, rendant impossible l'étude de leur comportement.
Le simulateur quantique
C'est ici qu'intervient le simulateur quantique de Munich. En principe, cela fonctionne comme remplacer la chaîne du collier de perles par un élastique. Et l'élastique est séparé de sorte que la distance entre les billes atomiques soit d'environ 10, 000 fois plus grand. Cette gamme micrométrique peut maintenant être résolue par un microscope optique. Les minuscules atomes deviennent visibles lorsque la lumière laser les fait s'allumer.
Dans l'expérience, la "bande de caoutchouc" est constituée d'une grille de faisceaux lumineux laser se croisant. Chaque intersection lumineuse agit comme un petit piège qui capture un atome, dans ce cas un atome de lithium. Pour les faire se comporter comme des électrons dans des matériaux réels, ils doivent d'abord être refroidis à des températures ultra-basses sous vide.
Les atomes de lithium sont fermioniques, c'est à dire., petits aimants portés par un spin électronique non blindé. Maintenant, les physiciens ont dû trouver une astuce pour rendre ce spin visible dans leur simulateur quantique. Pour faire ça, ils desserrent les chaînes de la lumière pendant une courte période en présence d'un champ magnétique spécialement conçu. Le résultat :les atomes cisaillent légèrement vers le haut ou vers le bas de la chaîne de perles, selon le sens de leur rotation.
Le rêve de Feynman
Dès que la chaîne d'atomes est préparée, les physiciens expulsent un atome du milieu de la chaîne avec une lumière laser. Cette perturbation, appelé « éteindre, " crée deux quasiparticules dans la chaîne. La première quasiparticule est le trou laissé par l'atome éjecté. Ce "holon" contient la propriété quantique de la charge électronique. La deuxième quasiparticule, appelé le spinon, se compose des deux spins parallèles adjacents laissés par l'espace holon. Par rapport à l'arrière-plan des vrilles alternées pointant vers le haut et vers le bas, ce spinon porte un excès de spin de la trempe.
Avec leur simulateur quantique, l'équipe a pu suivre exactement comment les deux perturbations se déplacent le long de la chaîne atomique. En réalité, il s'est avéré qu'ils se déplacent à des vitesses différentes et ne sont pas liés ensemble. La charge et l'essorage sont ainsi totalement indépendants l'un de l'autre et parfaitement séparés, tout comme les seaux d'eau et de sable de la chaîne d'extinction d'incendie.
D'un côté, ce résultat est passionnant du point de vue de la recherche fondamentale en physique quantique. La séparabilité de la charge et du spin pourrait également trouver un jour des applications fascinantes dans les technologies de l'information quantique. Par dessus tout, cependant, l'expérience de Garching démontre avec succès que les simulateurs quantiques sont en train de devenir une technologie à prendre au sérieux.
Dans les années 1980, le célèbre prix Nobel Richard Feynman rêvait qu'il serait possible de comprendre le comportement des systèmes quantiques des matériaux, difficiles d'accès expérimentalement, en utilisant des systèmes quantiques analogues parfaitement accessibles et contrôlables. Même les superordinateurs conventionnels ne parviennent pas à calculer exactement certains de ces systèmes quantiques. Mais cette possibilité élégante est offerte par les atomes ultrafroids dans les grilles lumineuses.
"À l'avenir, cela pourrait permettre la conception ciblée de nouveaux matériaux qui, par exemple, devenir supraconducteur à température ambiante, " dit Jayadev Vijayan. Le rêve de Feynman d'un simulateur quantique devient maintenant réalité.
