Cette résilience surprenante dans un fond électronique autrement vitreux est rendue possible par l'intrication quantique, une forme de liaison quantique qui lie intimement un trou et un spin en une seule quasi-particule efficace et rend plus difficile pour la particule de disperser une impureté. L'étude est publiée dans Physical Review Letters .

La robustesse des quasiparticules

Imaginez un couple marchant main dans la main sur le marché lors d'une journée chargée :si elle voulait passer d'un côté à l'autre, la foule doit s'écarter, dispersant localement les gens autour et ralentissant son propre mouvement. . Vu d’en haut, le couple et son environnement se déplaçaient apparemment comme une unité. Cette unité est ce que les physiciens de la matière condensée appellent une quasi-particule, à savoir des particules efficaces qui déterminent le spectre d'excitation à basse énergie d'un solide.

Dans un métal, les quasiparticules sont généralement constituées d'un électron entouré d'un nuage de polarisation d'autres électrons, l'électron et le nuage de polarisation se déplaçant de manière cohérente. Dans un système réel, ces quasi-particules dispersent les impuretés et le désordre. Pour en revenir à notre marché fictif, cela signifie que nos deux tourtereaux ne peuvent pas simplement franchir un obstacle, comme un lampadaire, qui se dresse sur leur chemin. Au lieu de cela, ils devraient le contourner, ralentissant une fois de plus le mouvement du couple. Dans un vrai métal, cela provoque la dispersion des électrons hors des impuretés, empêchant le mouvement des électrons et créant une résistance électrique.

Danser à travers d'éventuels obstacles

Dans l'étude publiée, l'équipe comprenant des chercheurs du JMU rapporte que les quasiparticules présentes dans les cuprates ne respectent apparemment pas cette règle de diffusion. Ces matériaux ont une structure complexe de couches d’oxyde de cuivre et sont généralement connus pour leur supraconductivité à haute température record lorsqu’ils sont dopés. Leurs quasiparticules sont des singulets de Zhang-Rice (ZRS), des particules composites enchevêtrées où un trou d'oxygène fait équipe avec une rotation de cuivre vacant, se déplaçant à travers le cristal comme un couple dansant.

Les scientifiques de Würzburg ont testé ces quasiparticules dans un environnement cuprate extrêmement désordonné, dans lequel jusqu'à 40 % des atomes de cuivre ont été remplacés par du lithium. Le désordre est donc si immense – notre « marché » est si plein d’obstacles – qu’il arrête complètement les électrons normaux.

Les physiciens appellent un tel système un système de verre non ergodique, car les particules se propagent désormais beaucoup plus lentement que les échelles de temps expérimentales typiques. Autrement dit, il n'y a plus d'allers-retours pour les visiteurs de notre marketplace, et plus rien ne bouge.

La danse séduisante des trous et des rotations des singlets Zhang-Rice au sein de cette union quantique – malgré toutes les difficultés – n'est cependant absolument pas affectée par les impuretés qui se dressent sur leur chemin. Leur intrication quantique les empêche de se disperser et ils se déplacent simplement dans le système, comme si « le marché » était sans obstacles.

Importance de la découverte

L'étude a révélé la première apparition de singulets de Zhang Rice dans un verre électronique à base de cuprate et a montré l'invulnérabilité émergente des quasiparticules ZRS en raison de l'intrication quantique. De telles découvertes pourraient avoir des implications considérables, non seulement pour notre compréhension des supraconducteurs cuprates, mais également pour les futures technologies basées sur la cohérence quantique.

En particulier, la capacité à stabiliser les états quantiques par rapport aux perturbations externes au moyen de l'intrication quantique pourrait jouer un rôle central dans la réalisation de l'informatique quantique.