Les prédictions des Nobel de physique 2016 validées

SciencesDes physiciens de l'Université de Genève (UNIGE) entre autres sont parvenus à expérimenter la théorie sur les états dits «exotiques» de la matière.

Les travaux de David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz ont été confirmés par des chercheurs franco-suisses.

Les travaux de David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz ont été confirmés par des chercheurs franco-suisses.

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Des chercheurs franco-suisses ont découvert une nouvelle transition de phase dans un matériau quantique. Ils confirment ainsi expérimentalement une théorie formulée par les lauréats du Prix Nobel de physique 2016 sur les états dits «exotiques» de la matière.

Les scientifiques se sont appuyés sur les travaux des nobélisés britanniques David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, qui ont prédit au cours des années 1970 et 1980 qu’un jeu d’excitations topologiques dans un matériau quantique est susceptible d’induire une transition de phase.

Les transitions entre différentes phases de la matière font partie de la vie courante: l’eau qui gèle passe ainsi de l’état liquide à l’état solide. Mais certaines de ces transitions - à très basses températures par exemple - peuvent avoir une nature différente, liées aux propriétés d’excitations dites topologiques, qui font agir collectivement l’ensemble des particules.

De nombreuses théories ont été élaborées sur ces excitations topologiques, notamment sur la possibilité d’en confronter deux dans un seul et même matériau. Des physiciens de l'Université de Genève (UNIGE), de l’Université Grenoble Alpes et du CNRS français, ainsi que de l'Institut Paul Scherrer à Villigen (AG), se sont penchés sur la question.

Théorie et expérience

Les chercheurs français travaillaient sur un matériau anti-ferromagnétique unidimensionnel aux propriétés particulières, nommé BACOVO (BaCo2V2O8). Lors de diverses expériences sur cet oxyde caractérisé par sa structure en hélice, ils ont été confrontés à une transition de phase mystérieuse.

Leur équipe a alors fait appel à celle de Thierry Giamarchi, professeur au Département de physique de la matière quantique de l’UNIGE. «A partir de leurs résultats, nous avons établi des schémas théoriques capables de les interpréter», explique le physicien genevois, cité lundi dans un communiqué de son université.

Ces modèles théoriques ont ensuite été testés par de nouvelles expériences, afin de les valider. L’objectif était de comprendre comment fonctionnent les propriétés quantiques de BACOVO, notamment ses excitations topologiques.

Les scientifiques ont envoyé sur le matériau un faisceau de neutrons. Ces derniers se comportent comme de petits aimants qui interagissent avec ceux de BACOVO selon une stratégie «perturber pour révéler». Cela a permis aux chercheurs d'établir un «modèle standard» de ce matériau qui a ensuite été confirmé expérimentalement.

Propriétés inattendues

Mais cette expérience a permis une découverte que les scientifiques n’avaient pas anticipée. «Nous avons observé des propriétés inattendues», s’enthousiasme Shintaro Takayoshi, chercheur à l’UNIGE.

En effet, une fois placé dans un champ magnétique, BACOVO développe un deuxième jeu d’excitations topologiques qui est en compétition avec le premier. C'est précisément ce qu'avançaient il y a quatre décennies les nobélisés 2016.

Une hypothèse théorique est ainsi devenue une expérience vérifiée: deux jeux d’excitations topologiques entrent en confrontation directe dans un même matériau et contrôlent son état. En fonction du jeu dominant, cette confrontation conduit ainsi à une transition de phase quantique.

Ordinateur quantique

De plus, les scientifiques ont été en mesure de contrôler quel jeu l’emporte, pouvant ainsi régler à loisir l’état de la matière de BACOVO. Ces résultats, publiés dans la revue Nature Physics, ouvrent «tout un champ de possibles dans la recherche de la physique quantique» et nous rapproche chaque jour un peu plus de l'ordinateur quantique, conclut le Pr Giamarchi.

La topologie est une branche des mathématiques qui décrit les propriétés des objets qui sont préservées lorsqu'ils sont déformés de façon continue, sans être déchirés. Elle est devenue incontournable dans l'étude des matériaux uni-, bi- et tridimensionnels. (ats/nxp)

Créé: 07.05.2018, 17h01

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