Parfois, les choses sont un peu détraquées, et il s'avère que c'est exactement ce dont vous avez besoin.

Ce fut le cas lorsque des cristaux d'orthoferrite sont apparus dans un laboratoire de l'Université Rice légèrement mal alignés. Ces cristaux sont devenus par inadvertance la base d'une découverte qui devrait trouver un écho auprès des chercheurs étudiant la technologie quantique basée sur la spintronique.

Le physicien du riz Junichiro Kono, l'ancien élève Takuma Makihara et leurs collaborateurs ont trouvé un matériau d'orthoferrite, dans ce cas l'oxyde de fer yttrium, placé dans un champ magnétique élevé a montré uniquement accordable, interactions ultrafortes entre magnons dans le cristal.

Les orthoferrites sont des cristaux d'oxyde de fer additionnés d'un ou plusieurs éléments de terres rares.

Les magnons sont des quasi-particules, des constructions fantomatiques qui représentent l'excitation collective du spin électronique dans un réseau cristallin.

Ce que l'un a à voir avec l'autre est la base d'une étude qui paraît dans Communication Nature , où Kono et son équipe décrivent un couplage inhabituel entre deux magnons dominés par l'antirésonance, à travers lequel les deux magnons gagnent ou perdent de l'énergie simultanément.

D'habitude, lorsque deux oscillateurs se couplent par résonance, l'un gagne de l'énergie au détriment de l'autre, conservation de l'énergie totale, dit Kono.

Mais en couplage antirésonant (ou contrarotatif), les deux oscillateurs peuvent gagner ou perdre de l'énergie en même temps par interaction avec le vide quantique, le champ du point zéro prédit par la mécanique quantique.

Considérez-le comme une bascule éphémère qui peut être forcée de se plier au milieu.

Makihara et ses co-auteurs Kenji Hayashida de l'Université d'Hokkaido et le physicien Motoaki Bamba de l'Université de Kyoto ont utilisé la découverte pour montrer par la théorie la probabilité d'une compression quantique significative dans l'état fondamental du système couplé magnon-magnon.

Dans l'état pressé, le montant de la fluctuation, ou du bruit, d'une quantité mesurable associée aux magnons peut être supprimée, avec augmentation simultanée du bruit dans une autre quantité, dit Kono. "C'est lié au principe d'incertitude de Heisenberg dans lequel un ensemble de variables est corrélé, mais si vous essayez d'en mesurer un avec précision, vous perdez des informations sur l'autre. Si vous en serrez un, l'incertitude sur l'autre grandit.

"D'habitude, afin de créer un état de compression quantique, il faut piloter fortement le système à l'aide d'un faisceau laser. Mais le système de Takuma est intrinsèquement compressé; C'est, il peut être décrit comme un état déjà comprimé, ", a-t-il déclaré. "Cela pourrait devenir une plate-forme utile pour les applications de détection quantique."

Makihara a déclaré que l'état unique est atteint avec un champ magnétique puissant comme celui utilisé dans l'imagerie par résonance magnétique. Le champ applique un couple aux moments magnétiques dans les atomes, dans ce cas celles de l'orthoferrite. Cela les fait tourner (ou précéder).

Cela prend un champ puissant. Le RAMBO du laboratoire Kono, le Rice Advanced Magnet with Broadband Optics, est un spectromètre unique développé avec le physicien Hiroyuki Nojiri de l'Université de Tohoku qui permet aux chercheurs d'exposer des matériaux refroidis à un niveau proche du zéro absolu à des champs magnétiques puissants allant jusqu'à 30 tesla en combinaison avec des impulsions laser ultracourtes. .

"Nous disions, « Que pouvons-nous étudier avec RAMBO ? Quelle nouvelle physique y a-t-il dans ce régime unique ?", a déclaré Makihara, maintenant un étudiant diplômé à l'Université de Stanford. "Les orthoferrites ont ces magnons qui se déplacent jusqu'à 30 teslas et des fréquences dans le régime térahertz. Les mesures initiales n'étaient pas si intéressantes.

"Mais ensuite, nous avons reçu des cristaux (cultivés par le physicien de l'Université de Shanghai Shixun Cao et son groupe) qui n'avaient pas de faces parfaitement parallèles, " dit-il. " Ils étaient en quelque sorte coupés en biais. Et un jour, nous avons chargé le cristal sur l'aimant à un angle tel que le champ magnétique n'a pas été appliqué le long de l'axe du cristal.

"Nous nous attendions à ce que la fréquence du magnon augmente avec le champ magnétique, mais quand il était incliné, nous avons vu un petit écart, " dit Makihara. " Alors, après avoir discuté de cette découverte avec le professeur Bamba, nous avons explicitement demandé des cristaux qui ont été coupés à différents angles et mesuré ceux-ci, et vu cet énorme degré d'anti-croisement. C'est la signature du couplage ultrafort."

L'antirésonance existe toujours dans les interactions lumière-matière et matière-matière mais est une présence mineure par rapport à l'interaction résonante dominante, les chercheurs ont noté. Ce n'était pas le cas des orthoferrites étudiées par le laboratoire Kono.

Exposer le matériau à un champ magnétique élevé et incliner le cristal par rapport à l'antirésonance pompée par le champ qui égalait et même surpassait la résonance.

Si des champs magnétiques tournants supplémentaires (par exemple, de la lumière polarisée circulairement) sont introduits, les moments précédents interagissent fortement avec des champs qui tournent avec les moments (les champs co-rotatifs), alors qu'ils interagissent faiblement avec des champs qui tournent dans des directions opposées (les champs contrarotatifs).

En théorie quantique, Bamba a dit, ces interactions dites contrarotatives conduisent à des interactions bizarres où les sous-systèmes de la lumière et de la matière peuvent gagner ou perdre de l'énergie en même temps. Les interactions entre les moments magnétiques et les champs contrarotatifs sont considérées comme antirésonantes et ont normalement peu d'effet. Cependant, dans le système couplé matière-matière étudié à Rice, les interactions antirésonantes pourraient être rendues dominantes.

"La force des interactions co-rotatives et contrarotatives est généralement une constante fixe dans un système, et les effets des interactions co-rotatives dominent toujours ceux des interactions contrarotatives, " dit Kono. " Mais ce système est contre-intuitif car il y a deux forces de couplage indépendantes, et ils sont incroyablement réglables via l'orientation des cristaux et la force du champ magnétique. Nous pouvons créer une nouvelle situation où les effets des termes contrarotatifs sont plus dominants que ceux des termes co-rotatifs.

« Dans les systèmes de matière légère, quand les fréquences de la lumière et de la matière deviennent égales, ils se mélangent pour former un polariton, " dit-il. " Quelque chose de similaire se produit dans notre cas, mais c'est entre la matière et la matière. Deux modes magnon s'hybrident. Il y a une question de longue date de ce qui se passe lorsque le degré d'hybridation devient si élevé qu'il dépasse même l'énergie de résonance.

« Dans un tel régime, des phénomènes exotiques devraient se produire en raison d'interactions contrarotatives, comprenant un état de vide comprimé et une transition de phase vers un nouvel état où des champs statiques apparaissent spontanément, " at-il dit. " Et nous avons découvert que nous pouvons atteindre de telles conditions en réglant le champ magnétique. "

La nouvelle étude fait progresser les efforts de l'équipe Kono pour observer la transition de phase superradiante de Dicke, un phénomène qui pourrait créer un nouvel état exotique de la matière et conduire à des avancées dans la mémoire quantique et la transduction. Le laboratoire a trouvé une approche prometteuse pour la réaliser dans le couplage matière-matière en 2018, rapportant sa découverte dans Science .

La découverte démontre également que l'orthoferrite dans un champ magnétique pourrait servir de simulateur quantique, un système quantique simple et hautement accordable qui représente un système plus complexe avec un nombre insoluble de particules en interaction ou un régime de paramètres expérimentalement inaccessible, dit Kono.

Le couplage magnon-magnon accordable dans les orthoferrites peut être utilisé pour donner un aperçu de la nature de l'état fondamental d'un ultrafort, hybride lumière-matière couplée, il a dit.

Kono a déclaré que leurs découvertes inciteraient également à rechercher davantage de matériaux présentant cet effet. "Les orthoferrites de terres rares sont une grande famille de matériaux, et nous n'en avons étudié qu'un, " il a dit.