L’eau peut geler de l’eau à la neige solide ou bouillir dans un gaz. Dans la cuisine, ces types de “transitions de phase” ne sont pas fluides, mais leur nature discontinue est lissée de manière impitoyable. Une équipe internationale associée à des physiciens dirigée simplement par l’EPFL a maintenant découvert le même comportement dans quelques aimants quantiques, ce qui pourrait avoir des conséquences sur cette technologie des qubits.
En physique, les détails existent dans les « phases », telles que forte, liquide, gazeuse. Chaque fois que quelque chose passe d’une phase à une autre, nous parlons tous d’une “transition de phase” – considérons l’eau bouillante directement en vapeur, passant du liquide au carburant.
Dans nos cuisines, l’eau bout à 100 une C, et sa densité particulière change de manière significative, faisant un saut discontinu du liquide au gaz. Cependant, chaque fois que nous augmentons le stress, le stade d’ébullition de l’eau augmente en outre, jusqu’à la pression de 221 atmosphères où celle-ci bout à 374 O C. Ici, quelque chose d’étrange se produit : le liquide particulier et l’essence fusionnent en une seule étape. Au-dessus de ce « point critique », il n’y a absolument plus de transition d’étage, donc en contrôlant la pression, l’eau pourrait être dirigée de l’eau vers le gaz sans en avoir jamais franchi une seule.
Existe-t-il la version quantique du changement de phase semblable à l’eau ? « Les instructions actuelles en magnétisme quantique et en spintronique ont besoin de relations hautement spin-anisotropes pour produire la physique des étages topologiques et des qubits protégés, mais ces interactions favorisent en outre des transitions de phase de désordre discontinues », explique le professeur Henrik Rønnow de la Faculté des sciences fondamentales de l’EPFL.
Des études antérieures se sont concentrées sur les changements de phase constants et continus dans les matériaux des aimants quantiques. Aujourd’hui, dans le cadre d’un projet expérimental et théorique conjoint dirigé par Rønnow et le professeur Frédéric Mila, également au Collège des sciences fondamentales, des physiciens de l’EPFL et de l’Institut Paul Scherrer ont étudié une transition d’étage discontinue pour observer le tout premier point critique dans un aimant quantique , tout comme celui de l’eau. L’offre d’emploi est désormais publiée dans La nature .
Les chercheurs ont utilisé un « antiferromagnétique quantique », identifié sur le terrain comme SCBO (à partir de sa composition en substance chimique : SrCu 2 (BO 3 ) deux ). Les antiferromagnétiques des portions sont particulièrement utiles pour comprendre comment les aspects des portions de la structure d’un matériau affectent les propriétés globales – par exemple, comment la rotation de ses électrons se socialise pour donner ses propriétés magnétiques. Le SCBO peut également être un aimant « frustré », ce qui signifie que ses spins électroniques ne peuvent pas se renforcer dans une construction ordonnée, et à la place, ils adopteront des revendications fluctuantes quantiques distinctives.
Dans une expérience compliquée, les scientifiques ont contrôlé à la fois le stress et l’industrie magnétique appliqués aux milligrammes de SCBO. “Cela nous a permis d’examiner toute la transition de l’étage quantique discontinu et cette méthode nous a permis de trouver la physique des points critiques dans un système de spin 100% pur”, explique Rønnow.
L’équipe a effectué des mesures de haute précision à partir de la chaleur spécifique associée au SCBO, qui affiche sa disponibilité pour « aspirer de l’énergie. ” Par exemple , l’ eau potable n’absorbe qu’une petite quantité d’ énergie à -10 O C, mais avec 0 vous C plus 100 une C cela prendra d’énormes quantités car chaque molécule peut être entraînée à travers les changements de la glace en liquide et de l’eau en gaz. Tout comme l’eau, la relation pression-température du SCBO forme un diagramme d’étapes montrant la série de transitions discontinues séparant deux phases magnétiques partielles, toute la ligne se terminant par un point critique.
« Désormais, lorsqu’un champ magnétique permanent est utilisé, le problème devient plus puissant que l’eau », explique Frédéric Mila. “Aucun étage magnétique n’est fortement impacté par un petit champ, donc la ligne devient un mur de discontinuités dans un plan de phase tridimensionnel – mais alors parmi les phases devient imprévisible et le champ aide à le pousser dans la direction d’une troisième phase. ”
Pour expliquer cette conduite quantique macroscopique particulière, les chercheurs ont collaboré avec plusieurs collègues, en particulier le professeur Philippe Corboz de l’université ou du collège d’Amsterdam, qui ont développé de toutes nouvelles techniques informatiques puissantes.
« Auparavant, il était impossible de calculer les propriétés particulières des aimants quantiques « frustrés » à l’intérieur d’un modèle réaliste en deux ou même en trois dimensions », explique Mila. « Donc, SCBO fournit un exemple au bon moment où les toutes nouvelles méthodes numériques répondent à la réalité pour fournir une explication quantitative d’une nouvelle tendance au magnétisme quantique. ”
Henrik Rønnow conclut : « À l’avenir, la prochaine ère des matériaux de partie fonctionnelle sera tournée à travers des transitions d’étapes discontinues, donc une compréhension appropriée de leurs propriétés thermiques ira certainement du point critique, dont la version classique continue d’être connue de la science pour 2 siècles. ”
Référence : « Une portion analogique magnétique vers le point critique associé à l’eau » par M. Larrea Jiménez, TPG Crone, E. Fogh, Meters. E. Zayed, L. Lortz, E. Pomjakushina, K. Conder, The. M. Läuchli, D. Weber, S. Wessel, A. Honecker, M. Normand, Ch. Rüegg, P. Corboz, Ils le feraient. M. Rønnow plus F. Mila, le quatorze avril 2021, La nature .
DOI : 10. 1038 / s41586-021-03411-8
Quelques autres contributeurs
- Université associée à São Paulo
- Université d’Amsterdam
- Université Carnegie Mellon au Qatar
- Collège des sciences et de la technologie de Hong Kong
- Collège d’Innsbruck
- RWTH Aix-la-Chapelle Université ou collège
- CY Cergy Université Paris
- ETH Zurich
- Université de Genève
Le financement
- Fondation de recherche de São Paulo (FAPESP)
- Qatar Basis (Université Carnegie Mellon ou université du programme de recherche sur les semences du Qatar)
- Fonds national suisse de la technologie (FNS)
- Autorités européennes de la recherche (ERC) Horizon 2020
- ERC Synergy Grant HERO
- Fondation allemande pour la recherche
