Le refroidissement rapide des particules de magnon s'avère un moyen étonnamment efficace de créer un état quantique insaisissable de la matière, appelé condensat de Bose-Einstein. La découverte peut aider à faire avancer la recherche en physique quantique et constitue un pas vers l'objectif à long terme de l'informatique quantique à température ambiante.

Une équipe internationale de scientifiques a trouvé un moyen facile de déclencher un état inhabituel de la matière appelé condensat de Bose-Einstein. La nouvelle méthode, récemment décrit dans la revue Nature Nanotechnologie , devrait contribuer à faire avancer la recherche et le développement de l'informatique quantique à température ambiante.

L'équipe, dirigé par des physiciens de la Technische Universität Kaiserslautern (TUK) en Allemagne et de l'Université de Vienne en Autriche, généré le condensat de Bose-Einstein (BEC) par un changement brusque de température :d'abord chauffer lentement les quasi-particules, puis les refroidir rapidement à température ambiante. Ils ont démontré la méthode en utilisant des quasi-particules appelées magnons, qui représentent les quanta d'excitations magnétiques d'un corps solide.

"De nombreux chercheurs étudient différents types de condensats de Bose-Einstein, " a déclaré le professeur Burkard Hillebrands de TUK, l'un des principaux chercheurs dans le domaine du BEC. "La nouvelle approche que nous avons développée devrait fonctionner pour tous les systèmes."

Déroutant et spontané

condensats de Bose-Einstein, nommé d'après Albert Einstein et Satyendra Nath Bose qui ont d'abord proposé qu'ils existent, sont un type de sujet déroutant. Ce sont des particules qui spontanément se comportent toutes de la même manière au niveau quantique, devenir essentiellement une entité. Utilisé à l'origine pour décrire les particules de gaz parfait, Des condensats de Bose-Einstein ont été établis avec des atomes, ainsi qu'avec des quasi-particules telles que les bosons, phonons et magnons.

La création de condensats Bose-Einstein est une affaire délicate car, par définition, ils doivent se produire spontanément. Mettre en place les bonnes conditions pour générer les condensats, c'est ne pas chercher à introduire un quelconque ordre ou cohérence pour inciter les particules à se comporter de la même manière; les particules doivent le faire elles-mêmes.

Actuellement, Les condensats de Bose-Einstein se forment en diminuant la température jusqu'à près du zéro absolu, ou en injectant un grand nombre de particules à température ambiante dans un petit espace. Cependant, la méthode à température ambiante, qui a été signalé pour la première fois par Hillebrands et ses collaborateurs en 2005, est techniquement complexe et seules quelques équipes de recherche dans le monde disposent des équipements et du savoir-faire requis.

La nouvelle méthode est beaucoup plus simple. Il nécessite une source de chauffage, et une minuscule nanostructure magnétique, mesurant cent fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain.

"Nos progrès récents dans la miniaturisation des structures magnéniques à l'échelle nanoscopique nous ont permis d'aborder le BEC sous un angle complètement différent, " a déclaré le professeur Andrii Chumak de l'Université de Vienne.

La nanostructure est chauffée lentement à 200°C pour générer des phonons, qui à leur tour génèrent des magnons de même température. La source de chauffage est éteinte, et la nanostructure se refroidit rapidement à température ambiante en une nanoseconde environ. Quand cela arrive, les phonons s'échappent vers le substrat, mais les magnons sont trop lents à réagir, et restent à l'intérieur de la nanostructure magnétique.

Michel Schneider, auteur principal de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant dans le groupe de recherche sur le magnétisme de TUK, expliqué pourquoi cela se produit :« Quand les phonons s'échappent, les magnons veulent réduire l'énergie pour rester en équilibre. Comme ils ne peuvent pas diminuer le nombre de particules, ils doivent diminuer l'énergie d'une autre manière. Donc, ils sautent tous au même niveau d'énergie bas."

En occupant spontanément tous le même niveau d'énergie, les magnons forment un condensat de Bose-Einstein.

"Nous n'avons jamais introduit de cohérence dans le système, " Chumak a dit, "C'est donc une manière très pure et claire de créer des condensats Bose-Einstein."

Résultat inattendu

Comme c'est souvent le cas en science, l'équipe a fait la découverte tout à fait par accident. Ils avaient entrepris d'étudier un aspect différent des nanocircuits lorsque des choses étranges ont commencé à se produire.

"Au début, nous pensions que quelque chose n'allait vraiment pas avec notre expérience ou notre analyse de données, ", a déclaré Schneider.

Après avoir discuté du projet avec des collaborateurs de TUK et aux États-Unis, ils ont modifié certains paramètres expérimentaux pour voir si la chose étrange était en fait un condensat de Bose-Einstein. Ils ont vérifié sa présence avec des techniques de spectroscopie.

La découverte intéressera principalement d'autres physiciens étudiant cet état de la matière. "Mais révéler des informations sur les magnons et leur comportement dans une forme d'état quantique macroscopique à température ambiante pourrait avoir une incidence sur la quête de développement d'ordinateurs utilisant des magnons comme supports de données, ", a déclaré Hillebrands.