En physique, les choses existent par phases, comme solide, états liquide et gazeux. Quand quelque chose passe d'une phase à une autre, nous parlons d'une transition de phase - comme l'eau bouillante en vapeur, passer du liquide au gaz.

Dans nos cuisines, l'eau bout à 100 degrés C, et sa densité change radicalement, faire un saut discontinu du liquide au gaz. Cependant, si on augmente la pression, le point d'ébullition de l'eau augmente également, jusqu'à une pression de 221 atmosphères où il bout à 374 degrés C. Ici, quelque chose d'étrange se produit :le liquide et le gaz fusionnent en une seule phase. Au-dessus de ce "point critique, " il n'y a plus du tout de transition de phase, et ainsi en contrôlant sa pression, l'eau peut être dirigée du liquide au gaz sans jamais en traverser un.

Existe-t-il une version quantique d'une transition de phase semblable à l'eau ? "Les directions actuelles du magnétisme quantique et de la spintronique nécessitent des interactions hautement spin-anisotropes pour produire la physique des phases topologiques et des qubits protégés, mais ces interactions favorisent aussi les transitions de phase quantiques discontinues, " déclare le professeur Henrik Rønnow de la Faculté des sciences fondamentales de l'EPFL.

Des études antérieures se sont concentrées sur la douceur, transitions de phase continues dans les matériaux magnétiques quantiques. Maintenant, dans un projet expérimental et théorique commun mené par Rønnow et le professeur Frédéric Mila, également à l'École des sciences fondamentales, des physiciens de l'EPFL et de l'Institut Paul Scherrer ont étudié une transition de phase discontinue pour observer le tout premier point critique dans un aimant quantique, semblable à celui de l'eau. L'ouvrage est maintenant publié dans La nature .

Les scientifiques ont utilisé un antiferromagnétique quantique, connu dans le domaine sous le nom de SCBO (de par sa composition chimique :SrCu 2 (BO 3 ) 2 ). Les antiferromagnétiques quantiques sont particulièrement utiles pour comprendre comment les aspects quantiques de la structure d'un matériau affectent ses propriétés globales, par exemple, comment les spins de ses électrons interagissent pour donner ses propriétés magnétiques. SCBO est aussi un aimant « frustré », ce qui signifie que ses spins électroniques ne peuvent pas se stabiliser dans une structure ordonnée, et à la place, ils adoptent des états fluctuants quantiques uniques.

Dans une expérience complexe, les chercheurs ont contrôlé à la fois la pression et le champ magnétique appliqués à des morceaux de milligrammes de SCBO. "Cela nous a permis de regarder tout autour de la transition de phase quantique discontinue et de cette façon, nous avons trouvé la physique des points critiques dans un système de spin pur, " dit Rønnow.

L'équipe a effectué des mesures de haute précision de la chaleur spécifique du SCBO, qui a montré sa volonté d'absorber de l'énergie. Par exemple, l'eau n'absorbe que de petites quantités d'énergie à -10 degrés C, mais à 0 degrés C et 100 degrés C, cela peut prendre d'énormes quantités car chaque molécule est entraînée à travers les transitions de la glace au liquide et du liquide au gaz. Tout comme l'eau, la relation pression-température du SCBO forme un diagramme de phases montrant une ligne de transition discontinue séparant deux phases magnétiques quantiques, avec la ligne se terminant à un point critique.

"Maintenant, lorsqu'un champ magnétique est appliqué, le problème devient plus riche que l'eau, " précise Frédéric Mila. " Aucune des deux phases magnétiques n'est fortement affectée par un petit champ, ainsi la ligne devient un mur de discontinuités dans un diagramme de phases en trois dimensions, mais alors l'une des phases devient instable et le champ aide à la pousser vers une troisième phase."

Pour expliquer ce comportement quantique macroscopique, les chercheurs ont fait équipe avec plusieurs collègues, notamment le professeur Philippe Corboz à l'Université d'Amsterdam, qui ont développé de nouvelles techniques informatiques puissantes.

"Précédemment, il n'était pas possible de calculer les propriétés des aimants quantiques « frustrés » dans un modèle réaliste en deux ou trois dimensions, " dit Mila. " Donc, SCBO fournit un exemple opportun où les nouvelles méthodes numériques rencontrent la réalité pour fournir une explication quantitative d'un phénomène nouveau pour le magnétisme quantique. "

Henrik Rønnow conclut :« Dans l'avenir, la prochaine génération de matériaux quantiques fonctionnels sera commutée à travers des transitions de phase discontinues, donc une bonne compréhension de leurs propriétés thermiques inclura certainement le point critique, dont la version classique est connue de la science depuis deux siècles."