Dans la vie de tous les jours, les transitions de phase sont généralement liées aux changements de température, par exemple, quand un glaçon se réchauffe et fond. Mais il existe également différents types de transitions de phase, en fonction d'autres paramètres tels que le champ magnétique. Afin de comprendre les propriétés quantiques des matériaux, les transitions de phase sont particulièrement intéressantes lorsqu'elles se produisent directement au point zéro absolu de température. Ces transitions sont appelées « transitions de phase quantiques » ou « points critiques quantiques ».

Un tel point critique quantique a maintenant été découvert par une équipe de recherche austro-américaine dans un nouveau matériau, et sous une forme exceptionnellement vierge. Les propriétés de ce matériau font actuellement l'objet d'études plus approfondies. On soupçonne que le matériau pourrait être un semi-métal dit Weyl-Kondo, qui est considéré comme ayant un grand potentiel pour la technologie quantique en raison d'états quantiques spéciaux (appelés états topologiques). Si cela s'avère vrai, une clé pour le développement ciblé de matériaux quantiques topologiques aurait été trouvée. Les résultats ont été trouvés dans une coopération entre TU Wien, Université Johns Hopkins, l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et l'Université Rice et a maintenant été publié dans la revue Avancées scientifiques .

La criticité quantique :plus simple et plus claire que jamais

« Habituellement, le comportement critique quantique est étudié dans les métaux ou les isolants. Mais nous avons maintenant examiné un semi-métal, " explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. Le matériau est un composé de cérium, le ruthénium et l'étain, dont les propriétés se situent entre celles des métaux et des semi-conducteurs.

D'habitude, la criticité quantique ne peut être créée que dans des conditions environnementales très spécifiques - une certaine pression ou un champ électromagnétique. "Étonnamment, cependant, notre semi-métal s'est avéré critique quantique sans aucune influence extérieure, " dit Wesley Fuhrman, un doctorat étudiant dans l'équipe du Pr Collin Broholm à l'Université Johns Hopkins, qui a apporté une contribution importante au résultat avec les mesures de diffusion des neutrons. « Normalement, vous devez travailler dur pour produire les conditions de laboratoire appropriées, mais ce semi-métal fournit à lui seul la criticité quantique."

Ce résultat surprenant est probablement lié au fait que le comportement des électrons dans ce matériau présente des particularités. "C'est un système électronique fortement corrélé. Cela signifie que les électrons interagissent fortement les uns avec les autres, et que vous ne pouvez pas expliquer leur comportement en regardant les électrons individuellement, " dit Bühler-Paschen. "Cette interaction électronique conduit à ce que l'on appelle l'effet Kondo. Ici, un spin quantique dans le matériau est protégé par les électrons qui l'entourent, pour que l'essorage n'ait plus aucun effet sur le reste de la matière."'

S'il n'y a que relativement peu d'électrons libres, comme c'est le cas dans un semi-métal, alors l'effet Kondo est instable. Cela pourrait être la raison du comportement critique quantique du matériau :le système oscille entre un état avec et un état sans effet Kondo, et cela a pour effet une transition de phase à température nulle.

Les fluctuations quantiques pourraient conduire à des particules de Weyl

La principale raison pour laquelle le résultat est d'une telle importance est qu'il est soupçonné d'être étroitement lié au phénomène des « fermions de Weyl ». Dans les solides, Les fermions de Weyl peuvent apparaître sous forme de quasiparticules, c'est-à-dire comme des excitations collectives telles que des vagues dans un étang. Selon les prédictions théoriques, de tels fermions de Weyl devraient exister dans ce matériau, " dit le physicien théoricien Qimiao Si de l'Université Rice. Preuve expérimentale, cependant, est encore à trouver. "Nous soupçonnons que la criticité quantique que nous avons observée favorise l'apparition de tels fermions de Weyl, " explique Silke Bühler-Paschen. " Les fluctuations quantiques critiques pourraient donc avoir un effet stabilisateur sur les fermions de Weyl, d'une manière similaire aux fluctuations critiques quantiques dans les supraconducteurs à haute température qui maintiennent les paires supraconductrices de Cooper ensemble. C'est une question très fondamentale qui fait l'objet de nombreuses recherches à travers le monde, et nous avons découvert une nouvelle piste chaude ici. "

Il nous semble que certains effets quantiques, à savoir les fluctuations critiques quantiques, l'effet Kondo et les fermions de Weyl - sont étroitement liés dans le matériau nouvellement découvert et, ensemble, donner naissance à des États exotiques de Weyl-Kondo. Ce sont des états « topologiques » de grande stabilité qui, contrairement aux autres états quantiques, ne peut pas être facilement détruit par des perturbations extérieures. Cela les rend particulièrement intéressants pour les ordinateurs quantiques.

Pour vérifier tout cela, d'autres mesures dans différentes conditions externes doivent être effectuées. L'équipe s'attend à ce qu'une interaction similaire des divers effets quantiques soit également trouvée dans d'autres matériaux. « Cela pourrait conduire à l'établissement d'un concept de conception avec lequel de tels matériaux peuvent être spécifiquement améliorés, sur mesure et utilisé pour des applications concrètes, " dit Bühler-Paschen.