La physique quantique concerne les échelles infiniment petites (dont les interactions entre atomes et particules), pour lesquelles les lois de la physique classique ne suffisent plus à décrire les différents phénomènes en jeu. L’intrication (ou enchevêtrement) quantique est le phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié, avec des états quantiques dépendant l’un de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Récemment, des chercheurs ont pu établir un lien entre intrication quantique et criticité quantique (un phénomène lié aux fluctuations quantiques), en enchevêtrant des milliards de milliards d’électrons à travers un film métallique.

Pour réaliser leur expérience d’intrication, les chercheurs ont produit un film à partir d’un mélange d’ytterbium, de rhodium et de silicium. Ils ont ensuite fait passer des milliards de milliards d’électrons enchevêtrés à travers ce dernier. Les physiciens appellent ce genre de matériau un « métal étrange », car il n’agit pas comme un véritable métal à des températures très basses.

« Avec les métaux étranges, il existe un lien inhabituel entre la résistance électrique et la température », a expliqué la physicienne Silke Bühler-Paschen, de l’Université de technologie de Vienne en Autriche.

« Contrairement aux métaux simples tels que le cuivre ou l’or, cela ne semble pas être dû au mouvement thermique des atomes, mais aux fluctuations quantiques à la température zéro absolue » ajoute-t-elle.

Criticité quantique : un phénomène lié aux fluctuations quantiques

Ces fluctuations représentent une criticité quantique. Il s’agit plus précisément d’un « point » entre les états quantiques, qui sont l’équivalent de la transition entre les liquides, les solides et les gaz en physique classique. L’équipe affirme que cette cascade d’électrons (à travers le film métallique) a permis de produire la meilleure preuve à ce jour d’un lien entre la criticité quantique et l’intrication. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Science.

« Quand nous pensons à l’intrication quantique, nous pensons aux petites échelles », déclare le physicien Qimiao Si, de l’Université Rice. « Nous ne l’associons pas aux objets macroscopiques ». « Mais à un point critique quantique, les choses sont si ‘collectives’ que nous avons cette chance de voir les effets de l’intrication, même dans un film métallique qui contient des milliards de milliards d’objets mécaniques quantiques ».

Les expériences menées par Bühler-Paschen, Si et ses collègues, ont été très difficiles à réaliser à plusieurs niveaux, de la synthèse de matériaux très complexe requise pour créer le métal étrange, à la délicate spectroscopie térahertz requise pour observer les électrons.

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spectrometre terahertz mesure intrication

Le spectromètre térahertz utilisé pour mesurer l’intrication. Crédits : Jeff Fitlow/ Université Rice

Après un processus de mesure minutieux, l’équipe a identifié ce qu’elle recherchait : le signe révélateur de la criticité quantique. « Conceptuellement, c’était vraiment une expérience de rêve », déclare Si. « Sonder le secteur de charge au point critique quantique magnétique, pour voir s’il est effectivement critique, s’il révèle une mise à l’échelle dynamique ».

« Si rien de collectif n’est observé, aucune mise à l’échelle, le point critique est plutôt facile à décrire. Mais si au contraire quelque chose de singulier est observé (ce qui était le cas ici), alors il s’agit d’une preuve très directe et nouvelle concernant la nature de l’intrication quantique et de la criticité quantique » ajoute-t-il.

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Une découverte à haut potentiel et aux retombées multiples

Cette découverte permettra peut-être des avancées potentielles en informatique quantique, dans les télécommunications et plus encore. Par le passé, des chercheurs avaient émis l’hypothèse d’un lien entre intrication quantique et criticité quantique, mais il s’agit de la première confirmation expérimentale.

L’étude des états quantiques en est encore à ses débuts, mais elle pourrait détenir la clé de toutes sortes de phénomènes quantiques exotiques, comme la supraconductivité à haute température, qui est également censée être soutenue par la criticité quantique.

Comprendre comment ces phases quantiques commutent nous donne plus d’opportunités de parvenir à les contrôler à l’avenir. Et bien que nous en soyons encore loin, nous venons de nous en approcher encore un peu.

« Nos résultats suggèrent 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 », déclare Si. « Lorsqu’on envisage cette possibilité, on ne peut s’empêcher de s’émerveiller devant les merveilles de la nature ».

Source : Science

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