Au moment où le paysage énergétique se divise, la chaîne de symétrie élevée se désintègre dans un état de symétrie inférieur lorsque le point critique est dépassé. Dans ce cas, une chaîne droite se désintègre en une configuration en zigzag lorsque l'anisotropie \lambda(t) dépasse une valeur critique \lambda_{c}. Lorsque deux ions consécutifs tombent du même côté, un état d'énergie plus élevée localement, nous observons un défaut. Crédit :Fernando Gómez-Ruiz - Centre international de physique de Donostia
Un stage d'été à Bilbao, Espagne, a donné lieu à un article dans la revue Lettres d'examen physique pour Jack Mayo, un étudiant en Master à l'Université de Groningue, les Pays-Bas. Il a aidé à créer un modèle universel qui peut prédire la distribution du nombre de défauts topologiques dans les systèmes hors équilibre. Les résultats peuvent être appliqués à l'informatique quantique et aux études sur l'origine de la structure dans l'Univers primitif.
Mayo, étudiant du Top Master Program in Nanoscience au Zernike Institute for Advanced Materials de l'Université de Groningen, a passé ses vacances d'été 2019 sur la côte basque en immersion dans la physique théorique. Le projet auquel il a participé s'est déroulé dans le groupe de recherche dirigé par le professeur Adolfo del Campo au Centre international de physique de Donostia (DIPC), et visait à résoudre un problème en informatique quantique, mais il a des implications beaucoup plus larges, des aimants nanométriques au cosmos. Dans tous ces systèmes, le début de l'ordre (par exemple, ordre induit par le refroidissement) s'accompagne presque toujours du développement de défauts. "Prenez un système dans lequel les particules ont un moment magnétique qui peut basculer entre le haut et le bas, " explique Mayo. " Si vous augmentez leur interaction attrayante, ils vont commencer à s'aligner les uns sur les autres."
Cristaux de glace
Cet alignement commencera à certains points non corrélés dans un milieu, puis se développera, comme des cristaux de glace dans l'eau. L'alignement de chaque domaine (vers le haut ou vers le bas dans l'exemple des moments magnétiques) est le fruit du hasard. "Les alignements locaux vont se développer vers l'extérieur et à un certain stade, les domaines commenceront à se rencontrer et à interagir, " dit Mayo. Par exemple, si un domaine ascendant rencontre un domaine descendant, le résultat sera un mur de domaine à leur interface - un défaut de rupture de symétrie dans la structure ordonnée, laissant derrière lui un artefact du matériau dans sa phase de symétrie supérieure.
Ce recuit d'un milieu est décrit par le mécanisme de Kibble-Zurek, conçu à l'origine pour expliquer comment une transition de phase a abouti à des structures ordonnées dans l'Univers primitif. Il a ensuite été découvert qu'il pouvait être utilisé pour décrire la transition de l'hélium liquide d'une phase fluide à une phase superfluide. "Le mécanisme est universel et est également utilisé dans l'informatique quantique basée sur le recuit quantique, " explique Mayo. Cette technologie est déjà sur le marché et est capable de résoudre des énigmes complexes comme le problème du voyageur de commerce. Cependant, un problème avec ce type de travail est que les défauts qui se produisent pendant le processus de recuit fausseront les résultats.
Transitions de phase
Le nombre de défauts qui apparaissent dans le recuit quantique dépend du temps nécessaire pour passer la transition de phase. "Si vous avez des millions d'années pour changer lentement les interactions entre les unités, vous n'obtenez pas de défauts, mais ce n'est pas très pratique, " remarque Mayo. L'astuce consiste à concevoir des calendriers à temps fini - et donc plus pratiques - pour obtenir un nombre acceptable de défauts avec une probabilité élevée. Le projet de recherche auquel il a participé visait à créer un modèle qui pourrait estimer le nombre de défauts. et guider la conception optimale de ces systèmes.
Modèle statistique
Pour faire ça, les physiciens ont utilisé des outils théoriques pour décrire les transitions de phase et des simulations numériques pour estimer la distribution des défauts lors du refroidissement. Comme chaque domaine peut avoir l'une des deux valeurs (vers le haut ou vers le bas dans l'exemple des moments magnétiques), ils pourraient estimer les chances que deux domaines opposés se rencontrent et créent un défaut. Cela a conduit à un modèle statistique basé sur la distribution binomiale, qui pourrait être utilisé pour prédire comment un système doit être refroidi pour créer le plus petit nombre de défauts. Le modèle a été vérifié par rapport à des simulations numériques indépendantes et a semblé bien fonctionner. Ce nouveau modèle a été décrit dans un article publié le 17 juin dans Lettres d'examen physique et était accompagné d'un « Point de vue » publié dans Physics, un commentaire sur les résultats du physicien indépendant, le professeur Smitha Vishveshwara de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
