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À la fin des années 1950, le physicien soviétique Lev Landau développe la théorie des liquides de Fermi — état de la matière observé à basse température pour les solides cristallins — et introduit, avec, la notion de quasiparticules. Ces dernières permettent de décrire des systèmes physiques complexes en termes de groupes de particules et d’interactions, prenant la forme de vibrations et d’excitations. Récemment, des physiciens ont découvert que, contrairement aux particules ordinaires qui finissent par se désintégrer et disparaître, les quasiparticules peuvent échapper à ce destin inexorable, devenant ainsi « immortelles ». 

La seconde loi de la thermodynamique est claire : l’Univers évolue systématiquement vers le désordre, l’entropie étant amenée à croître continuellement dans tout système isolé. Les objets désintégrés ne peuvent donc pas se reformer. Cependant, la mécanique quantique est connue pour contrevenir à certaines règles physiques bien établies. Dans un article publié dans la revue Nature Physics, des physiciens ont montré que les quasiparticules qui se désintègrent peuvent « renaître de leurs cendres ».

« Jusqu’à présent, l’hypothèse était que les quasi-particules des systèmes quantiques en interaction se désintègrent au bout d’un certain temps » déclare le physicien Frank Pollman de l’université technique de Munich. « Nous savons maintenant que c’est l’inverse qui se produit : des interactions fortes peuvent même arrêter complètement la désintégration ».

quasiparticules

Trois exemples de quasiparticules : a) Un polaron, c’est-à-dire un électron dans un solide interagissant avec le réseau cristallin ; b) Un exciton, c’est-à-dire un état lié électron-trou ; c) Un angulon, c’est-à-dire un rotor quantique formé par un champ de phonons. Crédits : Mikhail Lemeshko

Les quasiparticules ne sont pas des particules ordinaires, comme les électrons et les quarks. Ce sont plutôt les perturbations ou les excitations dans un solide causées par des forces électriques ou magnétiques qui, collectivement, se comportent comme des particules. Les phonons — les unités discrètes d’énergie vibratoire dans un réseau cristallin, par exemple — sont classés comme des quasi-particules, tout comme les polarons, les électrons piégés dans un réseau entouré d’un nuage de polarisation.

Quasiparticules : elles se désintègrent… puis se reforment

Les chercheurs impliqués dans cette dernière étude ont mis au point des méthodes numériques pour calculer les interactions complexes de ces quasi-particules et ont exécuté des simulations sur un ordinateur puissant pour observer leur désintégration.

« Le résultat de la simulation : certes, les quasiparticules se désintègrent, mais de nouvelles entités de particules identiques émergent des débris » déclare le physicien Ruben Verresen, de l’Université technique de Munich et l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes. « Si cette dégradation se produit très rapidement, une réaction inverse aura lieu au bout d’un certain temps et les débris convergeront à nouveau. Ce processus peut se reproduire à l’infini et une oscillation soutenue entre désintégration et renaissance apparaît ».

Sur le même sujet : Pour la première fois, des physiciens ont été témoins de la formation de quasi-particules

Cela ne viole pas la deuxième loi de la thermodynamique car l’oscillation est une onde transformée en matière, qui est recouverte par le concept de mécanique quantique de la dualité onde-particule. Leur entropie ne diminue pas mais reste constante. En fait, la découverte a résolu deux autres casse-tête. Par exemple, il existe un composé magnétique, Ba3CoSb2O9, utilisé dans des expériences dont la stabilité inattendue avait été constatée antérieurement.

Il semble maintenant que la clé réside dans les quasi-particules magnétiques qu’elle contient, appelées magnons. Selon la simulation, ils se réorganisent après la dégradation. L’hélium est un autre exemple potentiel : il devient un superfluide sans résistance à une température proche du zéro absolu, et cette propriété particulière pourrait s’expliquer par le fait que ce gaz est rempli de quasi-particules appelées rotons.

Pour le moment, les travaux ne concernent que la théorie, mais les chercheurs pensent que cette immortalité des quasi-particules offre un fort potentiel de stockage de données durable dans les systèmes d’informatique quantique.

Sources : Nature Physics

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