Lorsque les électrons disparaissent lentement pendant le refroidissement
De nombreuses substances changent de propriétés lorsqu'elles sont refroidies en dessous d'une certaine température critique. Une telle transition de phase se produit, par exemple, lorsque l'eau gèle. Cependant, dans certains métaux, il existe des transitions de phase qui n'existent pas dans le macrocosme. Elles sont dues à la mécanique quantique. On pense que le concept d'électrons en tant que porteurs d'une charge électrique quantifiée ne s'applique plus à proximité de ces transitions de phase exotiques. Des chercheurs de l'université de Bonn et de l'ETH Zurich ont maintenant trouvé un moyen de le prouver directement. Leurs découvertes permettent de mieux comprendre le monde exotique de la physique quantique. La publication vient de paraître dans la revue Nature Physics.
Vue d'artiste d'une quasiparticule, composée d'électrons localisés et mobiles, ici fragmentée par une impulsion lumineuse ultracourte.
Uni Bonn
Si l'on refroidit l'eau en dessous de zéro degré Celsius, elle se solidifie en glace. Au cours de ce processus, ses propriétés changent brusquement. À l'état de glace, par exemple, sa densité est beaucoup plus faible qu'à l'état liquide, ce qui explique que les icebergs flottent. En physique, on parle de transition de phase.
Mais il existe également des transitions de phase au cours desquelles les caractéristiques d'une substance changent progressivement. Si, par exemple, un aimant en fer est chauffé à 760 degrés Celsius, il perd son attraction pour d'autres morceaux de métal - il n'est alors plus ferromagnétique, mais paramagnétique. Toutefois, ce phénomène ne se produit pas de manière abrupte, mais de manière continue : Les atomes de fer se comportent comme de minuscules aimants. À basse température, ils sont orientés parallèlement les uns aux autres. Lorsqu'ils sont chauffés, ils fluctuent de plus en plus autour de cette position de repos jusqu'à ce qu'ils soient complètement alignés au hasard et que le matériau perde complètement son magnétisme. Ainsi, pendant que le métal est chauffé, il peut être à la fois quelque peu ferromagnétique et quelque peu paramagnétique.
Les particules de matière ne peuvent pas être détruites
La transition de phase se fait donc progressivement, pour ainsi dire, jusqu'à ce que tout le fer devienne paramagnétique. En cours de route, la transition se ralentit de plus en plus. Ce comportement est caractéristique de toutes les transitions de phase continues. Nous l'appelons "ralentissement critique"", explique le professeur Hans Kroha du Bethe Center for Theoretical Physics de l'université de Bonn. "La raison en est qu'avec les transitions continues, les deux phases se rapprochent de plus en plus sur le plan énergétique. C'est un peu comme si l'on plaçait une balle sur une rampe : Elle dévale alors la pente, mais plus la différence d'altitude est faible, plus elle roule lentement. Lorsque le fer est chauffé, la différence d'énergie entre les phases diminue de plus en plus, notamment parce que l'aimantation disparaît progressivement au cours de la transition.
Un tel "ralentissement" est typique des transitions de phase basées sur l'excitation de bosons. Les bosons sont des particules qui "génèrent" des interactions (sur lesquelles repose, par exemple, le magnétisme). La matière, en revanche, n'est pas constituée de bosons mais de fermions. Les électrons, par exemple, font partie des fermions.
Les transitions de phase sont basées sur le fait que les particules (ou les phénomènes qu'elles déclenchent) disparaissent. Cela signifie que le magnétisme du fer devient de plus en plus faible au fur et à mesure que de moins en moins d'atomes sont alignés en parallèle. "Les fermions, en revanche, ne peuvent pas être détruits en raison des lois fondamentales de la nature et ne peuvent donc pas disparaître", explique M. Kroha. "C'est pourquoi ils ne sont normalement jamais impliqués dans les transitions de phase.
Les électrons deviennent des quasi-particules
Les électrons peuvent être liés aux atomes ; ils ont alors une place fixe qu'ils ne peuvent pas quitter. Dans les métaux, en revanche, certains électrons se déplacent librement, ce qui explique pourquoi ces métaux peuvent également conduire l'électricité. Dans certains matériaux quantiques exotiques, les deux types d'électrons peuvent former un état de superposition. Il en résulte ce que l'on appelle des quasiparticules. Elles sont, en quelque sorte, immobiles et mobiles à la fois - une caractéristique qui n'est possible que dans le monde quantique. Ces quasiparticules - contrairement aux électrons "normaux" - peuvent être détruites lors d'une transition de phase. Cela signifie que les propriétés d'une transition de phase continue peuvent également y être observées, en particulier le ralentissement critique.
Jusqu'à présent, cet effet n'a pu être observé qu'indirectement dans les expériences. Des chercheurs dirigés par le physicien théoricien Hans Kroha et le groupe expérimental de Manfred Fiebig à l'ETH Zurich ont maintenant développé une nouvelle méthode qui permet d'identifier directement l'effondrement des quasiparticules lors d'une transition de phase, en particulier le ralentissement critique qui y est associé.
"Cela nous a permis de montrer pour la première fois qu'un tel ralentissement peut également se produire dans les fermions", explique M. Kroha, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Matter" de l'université de Bonn et du pôle d'excellence "Matter and Light for Quantum Computing" de la Fondation allemande pour la recherche. Le résultat contribue à une meilleure compréhension des transitions de phase dans le monde quantique. À long terme, les résultats pourraient également être utiles pour des applications dans la technologie de l'information quantique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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