La figure montre une variété de comportements de transition de phase dans les systèmes hermitiens et non hermitiens. Les colonnes de gauche et de droite montrent les spectres du système des deux côtés des transitions, tandis que la colonne du milieu montre les spectres intermédiaires (critiques). (a) Les transitions de phase hermitiennes typiques consistent en la fermeture du spectre le long de la raie réelle. (b-d) Dans les systèmes non hermitiens, la transition de phase peut se produire de différentes manières distinctes dans le plan énergétique complexe. Dans « Effet de peau critique », le spectre critique intermédiaire n'est même pas déformable au spectre avant et après. Crédit :Nature Communications
Les physiciens du NUS ont découvert un comportement théorique connu sous le nom d'« effet de peau critique » qui influence la façon dont les changements entre les différentes phases de la matière se produisent.
Les transitions de phase sont omniprésentes dans le monde qui nous entoure, englobant des processus communs tels que la congélation et l'évaporation. Les transitions de phase du second ordre sont particulièrement intéressantes, où le système au point de transition atteint un état dit critique caractérisé par un ordre à longue distance et une sensibilité extrême aux perturbations. Un exemple paradigmatique est la transition ferromagnétique, où les amas de spins corrélés deviennent de plus en plus gros à mesure que la température diminue, jusqu'à ce qu'ils fusionnent en une seule phase ordonnée avec tous les spins pointant dans la même direction. En raison de son attrait universel et intuitif, le concept de criticité a également pénétré d'autres domaines comme la modélisation des krachs financiers. En tant que concept théorique, la criticité a également inspiré des avancées dans des sujets profonds comme la théorie des champs conformes, percolation et fractales.
Une équipe de recherche dirigée par le Pr GONG Jiangbin et le Pr LEE Ching Hua, tous deux du Département de physique, NUS a découvert une nouvelle forme de comportement critique connue sous le nom d'« effet de peau critique » (voir la figure). Cette découverte étend la portée des transitions de phase critiques connues aux systèmes hors équilibre qui, contrairement aux systèmes d'équilibre conventionnels régis par l'évolution temporelle unitaire, sont des systèmes ouverts qui subissent des gains ou des pertes en raison de leurs interactions externes. Dernièrement, il est devenu largement reconnu que les systèmes hors équilibre peuvent subir une amplification dirigée à longue portée dramatique qui modifie la nature qualitative du système, dans un nouveau phénomène connu sous le nom d'effet de peau non hermitien (NHSE). Cela a inspiré l'équipe de recherche, qui comprend le Dr LI Linhu (qui a récemment rejoint l'Université Sun Yat-sen (Zhuhai), Chine) et M. MU Sen (doctorant), pour demander comment l'interaction entre le NHSE et l'état critique peut aboutir à une nouvelle physique.
L'équipe a découvert que dans un système hors équilibre, même changer la taille du système peut profondément affecter son état. Par exemple, un système peut être isolant (gapé) de petites tailles, mais métallique (gapless) à de plus grandes tailles. Ou, il peut posséder des modes topologiques pour certaines tailles de système mais pas pour d'autres. Cette observation est contre-intuitive, puisque nous ne nous attendons généralement pas à ce que l'introduction de sites supplémentaires modifie la nature qualitative de l'État, tout comme un aimant ne devrait pas se démagnétiser spontanément si on le coupe en deux. Par ailleurs, la notion même de limite thermodynamique est désormais remise en cause, puisqu'il existe une nouvelle classe d'états qui deviendra invariablement modifiée à mesure que la taille du système est augmentée à l'infini.
le professeur Lee, qui a d'abord relié les points entre les preuves numériques apparemment paradoxales, expliqué, « L'« effet de peau critique » provoque un changement de paradigme dans notre façon de penser le comportement critique et l'ordre à long terme. Lorsque les effets de non-équilibre contribuent à leur part d'influences à long terme, nous sommes obligés de reformuler certains concepts habituellement tenus pour acquis, comme la zone dite généralisée de Brillouin.
De façon intéressante, les états cutanés critiques peuvent même présenter un comportement sans écailles tout en se dégradant de façon exponentielle dans l'espace, contrairement aux états critiques conventionnels qui sont presque synonymes de décroissance spatiale en loi de puissance. Ils possèdent également un comportement d'entropie d'intrication dépendant de la taille inhabituel, remettre en question les approches habituelles pour caractériser les états critiques à travers leur mise à l'échelle de l'entropie d'intrication.
Le professeur Gong a dit, « Au cours des dernières années, les études de phénomènes non hermitiens du point de vue de la physique de la matière condensée se sont considérablement développées. Étant donné que même un concept bien connu comme les états critiques peut désormais prendre de nouvelles significations, nous ne pouvons pas nous permettre de limiter notre imagination sur ce qui peut suivre."
Au-delà de son intérêt théorique, cette découverte est également pertinente pour les applications de dispositifs de détection et de commutation. Par exemple, un circuit de détection peut être programmé pour détecter différents types de signaux lorsque sa longueur effective est modifiée par des commutateurs. Comme preuve de principe, l'équipe envisage actuellement de démontrer ce nouveau type de transition de phase critique à travers des circuits électroniques RLC, où le spectre détaillé peut être cartographié grâce à des mesures d'impédance « topoélectriques ».
