Les chercheurs Kazuaki Takasan et Kyogo Kawaguchi de l'Université de Tokyo avec Kyosuke Adachi de RIKEN, Japon, ont démontré que le ferromagnétisme, un état ordonné des atomes, peut être induit par une motilité croissante des particules et que les forces répulsives entre les atomes sont suffisantes pour le maintenir. /P>

Cette découverte étend non seulement le concept de matière active aux systèmes quantiques, mais contribue également au développement de nouvelles technologies reposant sur les propriétés magnétiques des particules, telles que la mémoire magnétique et l'informatique quantique. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Research. .

Vols d’oiseaux, essaims de bactéries, flux cellulaires. Ce sont tous des exemples de matière active, un état dans lequel des agents individuels, tels que des oiseaux, des bactéries ou des cellules, s'auto-organisent. Les agents passent d'un état désordonné à un état ordonné dans ce qu'on appelle une « transition de phase ». En conséquence, ils se déplacent ensemble de manière organisée sans contrôleur externe.

"Des études antérieures ont montré que le concept de matière active peut s'appliquer à une large gamme d'échelles, depuis les nanomètres (biomolécules) jusqu'aux mètres (animaux)", explique Takasan, le premier auteur. "Cependant, on ne sait pas si la physique de la matière active peut être appliquée utilement dans le régime quantique. Nous voulions combler cette lacune."

Pour combler cette lacune, les chercheurs devaient démontrer un mécanisme possible qui pourrait induire et maintenir un état ordonné dans un système quantique. Il s’agissait d’un travail collaboratif entre physique et biophysique. Les chercheurs se sont inspirés du phénomène des oiseaux en troupeau car, grâce à l'activité de chaque agent, l'état ordonné est atteint plus facilement que dans d'autres types de matière active.

Ils ont créé un modèle théorique dans lequel les atomes imitent essentiellement le comportement des oiseaux. Dans ce modèle, lorsqu’elles augmentaient la motilité des atomes, les forces répulsives entre les atomes les réorganisaient dans un état ordonné appelé ferromagnétisme. Dans l'état ferromagnétique, les spins, le moment cinétique des particules et des noyaux subatomiques, s'alignent dans une direction, tout comme les oiseaux en troupeau font face à la même direction lorsqu'ils volent.

"Au début, il était surprenant de constater que l'ordre peut apparaître sans interactions élaborées entre les agents dans le modèle quantique", réfléchit Takasan à propos de cette découverte. "C'était différent de ce à quoi on s'attendait sur la base des modèles biophysiques."

Le chercheur a adopté une approche à plusieurs facettes pour s’assurer que sa découverte n’était pas un hasard. Heureusement, les résultats des simulations informatiques, de la théorie du champ moyen, d’une théorie statistique des particules et des preuves mathématiques basées sur l’algèbre linéaire étaient tous cohérents. Cela a renforcé la fiabilité de leurs résultats, première étape d'une nouvelle ligne de recherche.

"L'extension de la matière active au monde quantique n'a commencé que récemment et de nombreux aspects restent encore ouverts", explique Takasan. "Nous aimerions développer davantage la théorie de la matière active quantique et révéler ses propriétés universelles."

Plus d'informations : Ferromagnétisme induit par l'activité dans les systèmes quantiques unidimensionnels à N corps, Physical Review Research (2024). dx.doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023096

Sur arXiv :DOI :10.48550/arxiv.2308.04382

Informations sur le journal : Recherche d'examen physique , arXiv

Fourni par l'Université de Tokyo