Une équipe internationale de physiciens affirme avoir observé une intrication quantique entre des “milliards de milliards” d’électrons circulant dans des films minces d’YbRh.2Si2, un composé modèle de métal étrange.
Dans cette illustration, un photon (violet) transporte un million de fois l’énergie d’un autre (jaune). Crédit photo : NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet.
“L’intrication quantique est la base du stockage et du traitement de l’information quantique. En même temps, on pense que la criticité quantique est à l’origine de la supraconductivité à haute température”, a déclaré le Dr Qimiao Si, coauteur de l’étude, physicien au département de physique et d’astronomie du Center for Quantum Materials de l’université Rice.
“Nos résultats suggèrent donc que la même physique sous-jacente – la criticité quantique – peut conduire à une plate-forme pour l’information quantique et la supraconductivité à haute température. Lorsque l’on envisage cette possibilité, on ne peut que s’émerveiller devant les merveilles de la nature.”
Dans leurs expériences, le Dr Si et ses collègues ont examiné le comportement électronique et magnétique de l’YbRh2Si2 alors qu’il approchait et traversait une transition critique à la frontière entre deux phases quantiques bien étudiées.
Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont relevé plusieurs défis.
Tout d’abord, ils ont dû développer une technique de synthèse de matériaux très complexe pour produire des films ultrapurs d’YbRh2Si2.
À la température du zéro absolu, le matériau subit une transition d’une phase quantique qui forme un ordre magnétique à une autre qui ne le fait pas. Les auteurs ont réalisé des expériences de spectroscopie térahertz sur les films à des températures aussi basses que 1,4 Kelvin.
Les mesures térahertz ont révélé la conductivité optique de l’YbRh.2Si2 à mesure qu’ils étaient refroidis jusqu’à un point critique quantique qui marquait la transition d’une phase quantique à une autre.
“Avec les métaux étranges, il existe un lien inhabituel entre la résistance électrique et la température”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Silke Bühler-Paschen, physicienne à l’Institut de physique des solides de la Technischen Universität Wien et au département de physique et d’astronomie du Center for Quantum Materials de l’université Rice.
“Contrairement aux métaux simples comme le cuivre ou l’or, cela ne semble pas être dû au mouvement thermique des atomes, mais à des fluctuations quantiques à la température du zéro absolu.”
Image STEM à résolution atomique de l’interface entre le film (en haut à gauche) et le substrat (en bas à gauche), vues agrandies représentatives avec des superpositions simulées (au centre), et les cellules unitaires correspondantes (à droite). Crédit image : Prochaska et al, doi : 10.1126/science.aag1595.
Pour mesurer la conductivité optique, l’équipe a projeté un rayonnement électromagnétique cohérent dans la gamme de fréquences térahertz sur les films et a analysé la quantité de rayons térahertz qui les traversaient en fonction de la fréquence et de la température.
Les expériences ont révélé une mise à l’échelle de la fréquence par rapport à la température, un signe révélateur de la criticité quantique.
La fabrication des films était encore plus difficile. Pour les rendre suffisamment minces pour laisser passer les rayons térahertz, les scientifiques ont développé un système unique d’épitaxie par faisceau moléculaire et une procédure de croissance élaborée.
L’ytterbium, le rhodium et le silicium ont été évaporés simultanément à partir de sources distinctes dans le rapport exact 1-2-2. En raison de l’énergie élevée nécessaire à l’évaporation du rhodium et du silicium, le système a nécessité une chambre à ultravide faite sur mesure avec deux évaporateurs à faisceau d’électrons.
“Notre atout a été de trouver le substrat parfait : le germanium”, a déclaré le premier auteur, Lukas Prochaska, étudiant diplômé de l’Institut de physique des solides de la Technischen Universität Wien.
“Le germanium était transparent aux térahertz et présentait des distances atomiques pratiquement identiques à celles entre les atomes d’ytterbium dans l’YbRh.2Si2ce qui explique l’excellente qualité dufilms.”
“Conceptuellement, c’était vraiment une expérience de rêve”, a déclaré le Dr Si.
“Sonder le secteur de charge au point critique quantique magnétique pour voir s’il est critique, s’il a une échelle dynamique.”
“Si vous ne voyez rien qui soit collectif, qui soit à l’échelle, le point critique doit appartenir à un type de description de manuel. Mais, si vous voyez quelque chose de singulier, ce que nous avons fait en fait, alors c’est une preuve très directe et nouvelle de la nature d’intrication quantique de la criticité quantique.”
Les résultats sont publiés dans le journal Science.
