Des physiciens exploitent la réflexion spatiale et les symétries d’inversion du temps pour contrôler les matériaux quantiques

Concept de symétrie temporelle abstraite

Des physiciens d’Exeter et de Trondheim ont développé une théorie décrivant comment les symétries de réflexion spatiale et d’inversion temporelle peuvent être exploitées, permettant un meilleur contrôle du transport et des corrélations au sein des matériaux quantiques.

Deux physiciens théoriciens, de l’Université d’Exeter (Royaume-Uni) et de l’Université norvégienne des sciences et technologies (à Trondheim, Norvège), ont construit une théorie quantique décrivant une chaîne de résonateurs quantiques satisfaisant les symétries de réflexion spatiale et d’inversion temporelle. Ils ont montré comment les différentes phases quantiques de telles chaînes sont associées à des phénomènes remarquables, qui peuvent être utiles dans la conception de futurs dispositifs quantiques reposant sur de fortes corrélations.

Une distinction courante en physique est entre les systèmes ouverts et fermés. Les systèmes fermés sont isolés de tout environnement extérieur, de sorte que l’énergie est conservée car il n’y a nulle part où s’échapper. Les systèmes ouverts sont connectés au monde extérieur, et via les échanges avec l’environnement ils sont soumis à des gains et pertes d’énergie. Il existe un troisième cas important. Lorsque l’énergie entrant et sortant du système est finement équilibrée, une situation intermédiaire entre l’ouverture et la fermeture apparaît. Cet équilibre peut se produire lorsque le système obéit à une symétrie combinée d’espace et de temps, c’est-à-dire lorsque (1) la commutation à gauche et à droite et (2) l’inversion de la flèche du temps laissent le système essentiellement inchangé.

Chaîne de transport quantique de résonateurs

Transport quantique dans une chaîne de résonateurs obéissant à des symétries de réflexion spatiale et d’inversion temporelle. Crédit : Vasil Saroka

Dans leurs dernières recherches, Downing et Saroka discutent des phases d’une chaîne quantique de résonateurs satisfaisant les symétries de réflexion spatiale et d’inversion temporelle. Il y a principalement deux phases d’intérêt, une phase triviale (accompagnée de physique intuitive) et une phase non triviale (marquée d’une physique surprenante). La frontière entre ces deux phases est marquée par un point exceptionnel. Les chercheurs ont trouvé les emplacements de ces points exceptionnels pour une chaîne avec un nombre arbitraire de résonateurs, donnant un aperçu de la mise à l’échelle des systèmes quantiques obéissant à ces symétries. Surtout, la phase non triviale permet des effets de transport non conventionnels et de fortes corrélations quantiques, qui peuvent être utilisées pour contrôler le comportement et la propagation de la lumière à des échelles de longueur nanoscopiques.

Cette étude théorique peut être utile pour la génération, la manipulation et le contrôle de la lumière dans les matériaux quantiques de faible dimension, en vue de construire des dispositifs à base de lumière exploitant les photons, les particules de lumière, en tant que bêtes de somme à des tailles d’environ un milliardième d’un mètre.

Charles Downing, de l’Université d’Exeter, a commenté : « Nos travaux sur la symétrie parité-temps dans les systèmes quantiques ouverts soulignent davantage comment la symétrie sous-tend notre compréhension du monde physique et comment nous pouvons en bénéficier. »

Vasil Saroka, de l’Université norvégienne des sciences et technologies, a ajouté : « Nous espérons que nos travaux théoriques sur la symétrie parité-temps pourront inspirer de nouvelles recherches expérimentales dans ce domaine passionnant de la physique.

« Points exceptionnels dans les chaînes d’oligomères » est publié dans Physique des communications, une revue en libre accès du Portefeuille Nature

Référence : « Exceptional points in oligomer chains » par Charles Andrew Downing et Vasil Arkadievich Saroka, 2 décembre 2021, Physique des communications.
DOI : 10.1038 / s42005-021-00757-3

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