Parmi tous les curieux états de la matière qui peuvent coexister dans un matériau quantique, se bousculant pour la prééminence comme température, la densité électronique et d'autres facteurs changent, certains scientifiques pensent qu'il existe une juxtaposition particulièrement étrange à une seule intersection de facteurs, appelé point critique quantique ou QCP.

« Les points critiques quantiques sont une question très brûlante et intéressante pour de nombreux problèmes, " dit Wei-Sheng Lee, membre du personnel scientifique du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Certains suggèrent qu'ils sont même analogues aux trous noirs dans le sens où ce sont des singularités - des intersections ponctuelles entre différents états de la matière dans un matériau quantique - où vous pouvez obtenir toutes sortes de comportements électroniques très étranges lorsque vous vous en approchez. "

Lee et ses collaborateurs ont rapporté dans Physique de la nature aujourd'hui qu'ils ont trouvé des preuves solides que les QCP et leurs fluctuations associées existent. Ils ont utilisé une technique appelée diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) pour sonder le comportement électronique d'un matériau d'oxyde de cuivre, ou cuprate, qui conduit l'électricité avec une efficacité parfaite à des températures relativement élevées.

Ces supraconducteurs dits à haute température sont un domaine de recherche animé car ils pourraient donner lieu à une transmission d'énergie zéro déchet, des systèmes de transport économes en énergie et d'autres technologies futuristes, bien que personne ne connaisse encore le mécanisme microscopique sous-jacent à la supraconductivité à haute température. L'existence de QCP dans les cuprates est également une question très débattue.

Lors d'expériences à la Diamond Light Source au Royaume-Uni, l'équipe a refroidi le cuprate à des températures inférieures à 90 kelvins (moins 183 degrés Celsius), où il est devenu supraconducteur. Ils ont concentré leur attention sur ce que l'on appelle l'ordre des charges - des bandes alternées dans le matériau où les électrons et leurs charges négatives sont plus denses ou plus clairsemés.

Les scientifiques ont excité le cuprate avec des rayons X et mesuré la lumière des rayons X qui s'est diffusée dans le détecteur RIXS. Cela leur a permis de cartographier comment les excitations se sont propagées à travers le matériau sous forme de vibrations subtiles, ou phonons, dans le réseau atomique du matériau, qui sont difficiles à mesurer et nécessitent des outils de très haute résolution.

À la fois, les rayons X et les phonons peuvent exciter des électrons dans les bandes d'ordre de charge, faisant fluctuer les rayures. Puisque les données obtenues par RIXS reflètent le couplage entre le comportement des bandes de charge et le comportement des phonons, l'observation des phonons a permis aux chercheurs de mesurer le comportement des bandes d'ordre de charge, trop.

Ce que les scientifiques s'attendaient à voir, c'est que lorsque les bandes d'ordre de charge s'affaiblissent, leurs excitations s'évanouiraient aussi. "Mais ce que nous avons observé était très étrange, " a déclaré Lee. "Nous avons vu que lorsque l'ordre de charge est devenu plus faible dans l'état supraconducteur, les excitations d'ordre de charge sont devenues plus fortes. C'est un paradoxe car ils doivent aller de pair, et c'est ce que les gens trouvent dans d'autres systèmes d'ordre de facturation."

Il ajouta, "À ma connaissance, c'est la première expérience sur l'ordre des charges qui a montré ce comportement. Certains ont suggéré que c'est ce qui se passe lorsqu'un système est proche d'un point critique quantique, où les fluctuations quantiques deviennent si fortes qu'elles font fondre l'ordre de charge, tout comme le chauffage de la glace augmente les vibrations thermiques dans son réseau atomique rigide et le fait fondre en eau. La différence est que la fusion quantique, en principe, se produit à température nulle." Dans ce cas, Lee a dit, les excitations d'ordre de charge étonnamment fortes observées avec RIXS étaient des manifestations de ces fluctuations quantiques.

Lee a déclaré que l'équipe étudiait maintenant ces phénomènes à une plus large gamme de températures et à différents niveaux de dopage - où des composés sont ajoutés pour modifier la densité des électrons en mouvement libre dans le matériau - pour voir s'ils peuvent déterminer exactement où le quantum critique point pourrait être dans ce matériau.

Thomas Devereaux, théoricien au SIMES et auteur principal du rapport, a noté que de nombreuses phases de la matière peuvent être entrelacées dans les cuprates et autres matériaux quantiques.

"Etats supraconducteurs et magnétiques, les rayures d'ordre de charge et ainsi de suite sont tellement enchevêtrées que vous pouvez être dans toutes en même temps, " a-t-il dit. "Mais nous sommes coincés dans notre façon classique de penser qu'ils doivent être d'une manière ou d'une autre."

Ici, il a dit, "Nous avons un effet, et Wei-Sheng essaie de le mesurer en détail, essayer de voir ce qui se passe."