Une nouvelle phase de la matière, pensé pour être compréhensible uniquement en utilisant la physique quantique, peuvent être étudiés avec des méthodes classiques beaucoup plus simples.

Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont utilisé la modélisation informatique pour étudier de nouvelles phases potentielles de matière connues sous le nom de cristaux à temps discret préthermique (DTC). On pensait que les propriétés des DTC préthermiques dépendaient de la physique quantique :les étranges lois régissant les particules à l'échelle subatomique. Cependant, les chercheurs ont découvert qu'une approche plus simple, basé sur la physique classique, peut être utilisé pour comprendre ces phénomènes mystérieux.

Comprendre ces nouvelles phases de la matière est un pas en avant vers le contrôle des systèmes complexes à N corps, un objectif de longue date avec diverses applications potentielles, telles que les simulations de réseaux quantiques complexes. Les résultats sont rapportés dans deux articles conjoints en Lettres d'examen physique et Examen physique B .

Quand on découvre quelque chose de nouveau, que ce soit une planète, un animal, ou une maladie, on peut en apprendre plus à son sujet en l'examinant de plus en plus attentivement. Des théories plus simples sont essayées en premier, et s'ils ne fonctionnent pas, des théories ou des méthodes plus compliquées sont tentées.

"C'est ce que nous pensions être le cas avec les DTC préthermiques, " a déclaré Andrea Pizzi, un doctorat candidat au laboratoire Cavendish de Cambridge, premier auteur sur les deux articles. "Nous pensions qu'ils étaient fondamentalement des phénomènes quantiques, mais il s'avère qu'une approche classique plus simple nous permet d'en apprendre davantage à leur sujet."

Les DTC sont des systèmes physiques très complexes, et il reste encore beaucoup à apprendre sur leurs propriétés inhabituelles. Comme la façon dont un cristal spatial standard brise la symétrie espace-translation parce que sa structure n'est pas la même partout dans l'espace, Les DTC brisent une symétrie temps-translation distincte car, lorsqu'il est "secoué" périodiquement, leur structure change à chaque « poussée ».

"Vous pouvez y penser comme un parent poussant un enfant sur une balançoire sur une aire de jeux, " dit Pizzi. " Normalement, le parent pousse l'enfant, l'enfant se retournera, et le parent les pousse à nouveau. En physique, c'est un système assez simple. Mais si plusieurs balançoires étaient sur le même terrain de jeu, et si les enfants sur eux se tenaient la main, alors le système deviendrait beaucoup plus complexe, et des comportements bien plus intéressants et moins évidents pourraient émerger. Un DTC préthermique est l'un de ces comportements, dans lequel les atomes, agissant un peu comme des balançoires, ne "reviens" qu'à chaque seconde ou troisième poussée, par exemple."

Prévu pour la première fois en 2012, Les TTT ont ouvert un nouveau champ de recherche, et ont été étudiés dans divers types, y compris dans les expériences. Parmi ceux-ci, Les DTC préthermiques sont des systèmes relativement simples à réaliser qui ne chauffent pas rapidement comme on s'y attendrait normalement, mais présentent au contraire un comportement cristallin dans le temps pendant très longtemps :plus ils sont secoués rapidement, plus ils survivent. Cependant, on pensait qu'ils s'appuyaient sur des phénomènes quantiques.

« Développer des théories quantiques est compliqué, et même quand tu le gères, vos capacités de simulation sont généralement très limitées, parce que la puissance de calcul requise est incroyablement grande, " dit Pizzi.

Maintenant, Pizzi et ses co-auteurs ont découvert que pour les DTC préthermiques, ils peuvent éviter d'utiliser des approches quantiques trop compliquées et utiliser à la place des approches classiques beaucoup plus abordables. Par ici, les chercheurs peuvent simuler ces phénomènes de manière beaucoup plus complète. Par exemple, ils peuvent maintenant simuler beaucoup plus de constituants élémentaires, accéder aux scénarios les plus pertinents pour les expérimentations, comme en deux et trois dimensions.

A l'aide d'une simulation informatique, les chercheurs ont étudié de nombreux spins en interaction, comme les enfants sur les balançoires, sous l'action d'un champ magnétique périodique, comme le parent poussant la balançoire, en utilisant la dynamique hamiltonienne classique. La dynamique résultante a montré de manière nette et claire les propriétés des DTC préthermaux :pendant longtemps, l'aimantation du système oscille avec une période plus grande que celle de l'entraînement.

"C'est surprenant à quel point cette méthode est propre, " a déclaré Pizzi. " Parce que cela nous permet de regarder des systèmes plus grands, cela montre très clairement ce qui se passe. Contrairement à l'utilisation des méthodes quantiques, nous n'avons pas à nous battre avec ce système pour l'étudier. Nous espérons que cette recherche établira la dynamique hamiltonienne classique comme une approche appropriée pour les simulations à grande échelle de systèmes complexes à N corps et ouvrira de nouvelles voies dans l'étude des phénomènes de non-équilibre, dont les DTC préthermiques ne sont qu'un exemple."

les co-auteurs de Pizzi sur les deux articles, qui étaient tous deux récemment basés à Cambridge, sont le Dr Andreas Nunnenkamp, maintenant à l'Université de Vienne, et le Dr Johannes Knolle, maintenant à l'Université technique de Munich.

Pendant ce temps, à UC Berkeley, Le groupe de Norman Yao a également utilisé des méthodes classiques pour étudier les DTC préthermiques. Remarquablement, les équipes de Berkeley et Cambridge ont abordé simultanément la même question. Le groupe de Yao publiera ses résultats sous peu.