Une figure illustrant une partie du réseau pyrochlore de tétraèdres à coins partagés avec un diagramme de Feynman intégré représentant l'interaction d'un spinon et d'un anti-spinon par échange d'un photon. La force de ce processus de diffusion est proportionnelle à la constante de structure fine alpha dans le matériau. Crédit :Pace et al.
L'électrodynamique quantique (QED) est la théorie quantique fondamentale régissant le comportement des particules chargées et de la lumière dans le vide. La force des interactions dans QED est quantifiée par la constante de structure fine , qui dans notre univers est à la fois immuable et éternel (α ~ 1/137). La petitesse de la constante de structure fine a des conséquences d'une grande portée dans le monde physique :elle détermine le nombre d'éléments chimiques stables, permet l'interurbain, communication basée sur la lumière, etc.
L'une des grandes découvertes récentes de la physique de la matière condensée est que les théories de type QED décrivent le comportement de la glace de spin quantique, une classe d'aimants fractionnés. Plutôt que d'être commandé dans un modèle simple, les spins atomiques dans ces systèmes fluctuent selon des schémas complexes jusqu'aux températures mesurables les plus basses. La phase résultante est caractérisée par la présence de charges magnétiques qui interagissent avec des ondes lumineuses dans le fond de spin.
Chercheurs de l'Université de Boston, Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et le Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme ont récemment mené une étude sur la constante de structure fine qui émerge dans le QED de la glace de spin quantique. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , montre que dans la glace de spin quantique, cette constante fondamentale est grande, ce qui signifie que ces systèmes magnétiques pourraient être idéaux pour étudier des phénomènes physiques résultant d'interactions de particules fortes.
"Nous réfléchissions aux signatures possibles du QED émergent dans la glace de spin quantique et avons découvert que les signatures les plus distinctives impliquaient des effets d'interactions entre les charges émergentes et les photons, " Christopher R. Laumann et Siddhardh C. Morampudi, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Nous avons alors réalisé que le nombre de base sans dimension (la constante émergente de structure fine) caractérisant la force de cette interaction n'était encore déterminé dans aucun travail précédent, et les travaux précédents ne s'étaient concentrés que sur la caractérisation de la vitesse émergente de la lumière."
Laumann, Morampudi et leurs collègues ont entrepris d'étudier la constante de structure fine de la glace de spin quantique, car ils pensaient que cela offrirait une caractérisation plus complète de leur CQD. L'observation d'une valeur α relativement grande a été une agréable surprise pour eux, en tant que telle, une telle valeur améliorerait les signatures induites par l'interaction de la QED émergente.
"En utilisant la diagonalisation exacte à grande échelle pour obtenir le coût énergétique d'un tube de flux électrique, nous avons pu extraire la charge électrique, " Laumann et Morampudi ont déclaré. " Cela nous a ensuite permis de passer du modèle de réseau au QED émergent à grande longueur d'onde dans des systèmes de taille finie accessibles par le calcul. "
Les simulations numériques réalisées par Laumann, Morampudi et leurs collègues sont les premiers à calculer la constante de structure fine dans un QED émergent, spécifiquement un réalisé dans la glace de spin quantique. L'équipe a montré que dans le système qu'ils ont simulé, la constante est généralement supérieure d'un ordre de grandeur à la constante de structure fine du QED habituel. En outre, ils ont démontré que dans la glace de spin quantique, la constante peut être réglée de zéro au couplage le plus fort avec lequel QED se limite.
« La constante de structure fine du QED habituel est petite et fixe comme prévu par la nature, " Laumann et Morampudi ont déclaré. " Avoir un QED émergent avec une constante de structure fine large et également accordable fournit un terrain de jeu agréable pour comprendre les processus de QED qui sont fortement supprimés en raison du petit couplage. "
L'un des principaux outils théoriques pour étudier les théories quantiques des champs est la théorie des perturbations. Au cours des dernières décennies, cependant, de nombreux chercheurs ont commencé à explorer ce qui arrive aux théories des champs lors d'un couplage fort, dans les cas où la théorie des perturbations n'est pas une construction particulièrement utile.
"Cela a conduit à une grande variété d'outils non perturbatifs dont l'efficacité peut être testée si nous avons un terrain de jeu expérimental pour la QED à couplage fort dans la glace de spin quantique, " Laumann et Morampudi ont déclaré. "Nos travaux identifient également la glace de spin quantique comme une excellente cible pour les simulateurs quantiques à évolution rapide, avec la promesse de découvrir une physique intéressante de la QED à couplage fort comme récompense."
Dans les années récentes, un nombre croissant de physiciens ont commencé à mener des études sur des candidats de glace de spin quantique, en particulier les pyrochlores de terres rares. Certains des candidats identifiés dans ces études pourraient présenter des interactions supplémentaires qui entraînent l'ordre des systèmes, plutôt que de rester dans une phase liquide de spin quantique. La grande constante de structure fine calculée par Laumann, Morampudi et leurs collègues implique la présence d'effets significatifs induits par l'interaction, comme une forte amélioration de la section efficace de diffusion inélastique des neutrons près du seuil.
"Il y a eu des indices alléchants de la bonne physique dans certains des matériaux, mais le désordre et les petites échelles d'énergie (limitant la résolution expérimentale en diffusion de neutrons par exemple) ont été des facteurs limitants jusqu'à présent, " Laumann et Morampudi ont dit. " Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'explorer plus d'implications de la grande constante de structure fine dans les réalisations potentielles de la glace de spin quantique, et pousser vers des simulations d'entre eux dans des ordinateurs quantiques à court terme. Notre espoir est de mieux comprendre comment les questions ouvertes dans la QED à couplage fort pourraient potentiellement trouver une réponse dans de tels contextes. »
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