De près, on dirait une multitude de points colorés, mais de loin on voit un tableau complexe et riche en détails :George Seurat crée en 1886, grâce à la technique du pointillisme, le chef-d'œuvre "Un dimanche après-midi sur l'île de la Grande Jatte". De la même manière, Eugene Demler et ses collègues de l'ETH Zurich étudient des systèmes quantiques complexes constitués de nombreuses particules en interaction. Dans leur cas, les points ne sont pas créés en tamponnant un pinceau, mais plutôt en rendant visibles des atomes individuels en laboratoire.

En collaboration avec des collègues de Harvard et de Princeton, le groupe de Demler a utilisé la nouvelle méthode, qu'ils appellent « pointillisme quantique », pour examiner de plus près un type particulier de magnétisme.

Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans deux articles de la revue Nature avec les titres "Observation des polarons de Nagaoka dans un simulateur quantique Fermi-Hubbard" et "Imagerie directe des polarons de spin dans un système Hubbard cinétiquement frustré."

Changement de paradigme dans la compréhension

"Ces études représentent un changement de paradigme dans notre compréhension de ces phénomènes quantiques magnétiques. Jusqu'à présent, nous n'étions pas en mesure de les étudier en détail", explique Demler. Tout a commencé il y a environ deux ans à l’ETH. Le groupe d'Ataç Imamoğlu a étudié expérimentalement des matériaux spéciaux avec un réseau cristallin triangulaire (matériaux moirés constitués de dichalcogénures de métaux de transition).

Lorsque Demler et son postdoctorant Ivan Morera ont analysé les données d'Imamoğlu, ils ont rencontré une particularité suggérant une sorte de magnétisme qui n'avait auparavant été prédit que théoriquement.

"Dans ce magnétisme cinétique, quelques électrons se déplaçant à l'intérieur du réseau cristallin peuvent magnétiser le matériau", explique Morera.

Dans l'expérience d'Imamoğlu, cet effet, connu sous le nom de mécanisme de Nagaoka parmi les experts, a pu être détecté pour la première fois dans un solide en mesurant, entre autres choses, la susceptibilité magnétique, c'est-à-dire la force avec laquelle le matériau réagit à un champ magnétique externe. P>

"Cette détection était basée sur des preuves très solides. Cependant, pour une preuve directe, il faudrait mesurer l'état des électrons (leur position et la direction de leur spin) simultanément à plusieurs endroits à l'intérieur du matériau", explique Demler.

Des processus complexes rendus visibles

Toutefois, dans un solide, cela n’est pas possible avec les méthodes conventionnelles. Tout au plus, les chercheurs peuvent utiliser la diffraction des rayons X ou des neutrons pour découvrir comment les spins des électrons sont liés les uns aux autres en deux positions :ce qu'on appelle la corrélation de spin. Les corrélations entre les arrangements complexes de spin et les électrons supplémentaires ou manquants ne peuvent pas être mesurées de cette manière.

Pour rendre encore visibles les processus complexes du mécanisme de Nagaoka, que Demler et Morera avaient calculés à l'aide d'un modèle, ils se sont tournés vers des collègues de Harvard et de Princeton. Là-bas, les équipes de recherche dirigées par Markus Greiner et Waseem Bakr ont développé des simulateurs quantiques qui peuvent être utilisés pour recréer avec précision les conditions à l'intérieur d'un solide.

Au lieu que les électrons se déplacent à l’intérieur d’un réseau constitué d’atomes, les chercheurs américains utilisent dans de tels simulateurs des atomes extrêmement froids piégés dans un réseau optique constitué de faisceaux lumineux. Les équations mathématiques décrivant les électrons à l'intérieur du solide et les atomes à l'intérieur du réseau optique sont cependant presque identiques.

Instantanés colorés du système quantique

À l'aide d'un microscope à fort grossissement, les groupes de Greiner et de Bakr ont pu non seulement déterminer les positions des atomes individuels, mais également leurs directions de rotation. Ils ont traduit les informations obtenues à partir de ces instantanés du système quantique en graphiques colorés qui pourraient être comparés aux images pointillistes théoriques.

Demler et ses collègues avaient théoriquement calculé, par exemple, comment un seul électron supplémentaire dans le mécanisme de Nagaoka forme une paire avec un autre électron de spin opposé et se déplace ensuite à travers le réseau triangulaire du matériau comme un doublon.

Selon la prédiction de Demler et Morera, ce doublon devrait être entouré d'un nuage d'électrons dont les directions de spin sont parallèles, ou ferromagnétiques. Un tel nuage est également connu sous le nom de polaron magnétique.

C’est exactement ce que les chercheurs américains ont constaté lors de leurs expériences. De plus, s’il manquait un atome dans le réseau optique cristallin du simulateur quantique – ce qui correspond à un électron ou « trou » manquant dans le cristal réel – alors le nuage se formant autour de ce trou était constitué de paires d’atomes dont les spins pointaient en sens opposés. directions, tout comme Demler et Morera l'avaient prédit.

Cet ordre antiferromagnétique (ou, plus précisément :corrélations antiferromagnétiques) avait également été indirectement détecté auparavant dans une expérience sur l'état solide à l'Université Cornell aux États-Unis. Dans le simulateur quantique, il est maintenant directement visible.

"Pour la première fois, nous avons résolu un casse-tête physique en utilisant des expériences à la fois sur le "vrai" solide et sur le simulateur quantique. Notre travail théorique est le ciment qui maintient tout ensemble", explique Demler. Il est convaincu qu'à l'avenir, sa méthode sera également utile pour résoudre d'autres problèmes délicats.

Par exemple, le mécanisme qui provoque la formation du nuage de polarons magnétiques pourrait également jouer un rôle important dans les supraconducteurs à haute température.