Résoudre des énigmes physiques avec des points de couleur

De près, cela ressemble à une multitude de points de couleur, mais de loin, on voit une image complexe et riche en détails : En utilisant la technique du pointillisme, George Seurat a créé en 1886 le chef-d'œuvre «Un dimanche après-midi sur l'île de la Grande Jatte». De la même manière, Eugene Demler et ses collègues de l'ETH Zurich étudient des systèmes quantiques complexes composés de nombreuses particules en interaction. Dans leur cas, les points ne sont pas créés à l'aide d'un pinceau, mais en rendant visibles des atomes individuels en laboratoire.

En collaboration avec des collègues de Harvard et de Princeton, le groupe de Eugene Demler a utilisé cette nouvelle méthode, appelée pointillisme quantique, pour étudier de plus près une forme particulière de magnétisme. Les scientifiques viennent de publier leurs résultats dans deux articles de la revue scientifique Nature.

Changement de paradigme dans la compréhension

«Ces études représentent un changement de paradigme dans notre compréhension de ces phénomènes quantiques magnétiques. Jusqu'à présent, nous n'étions pas en mesure de les étudier en détail», explique Eugene Demler. Tout a commencé il y a environ deux ans à l'ETH Zurich. Le groupe d'Ataç Imamoğlu étudiait expérimentalement des matériaux spéciaux avec un réseau cristallin triangulaire (matériaux moirés composés de dichalcogénures de métaux de transition). Lorsque Eugene Demler et son post-doctorant Ivan Morera ont analysé les données d'Ataç Imamoğlu, ils ont découvert une particularité qui suggérait un type de magnétisme qui n'avait jusqu'alors été prédit que théoriquement. «Dans ce magnétisme cinétique, quelques électrons se déplaçant à l'intérieur du réseau cristallin peuvent magnétiser le matériau», explique Ivan Morera.

Dans l'expérience d'Ataç Imamoğlu, cet effet, connu sous le nom de mécanisme de Nagaoka par les expertes et experts, a pu être détecté pour la première fois dans un solide en mesurant, entre autres, la susceptibilité magnétique, c'est-à-dire la force avec laquelle le matériau réagit à un champ magnétique externe. «Cette détection était basée sur des preuves très solides. Toutefois, pour obtenir une preuve directe, il faudrait mesurer l'état des électrons - leur position et la direction de leur spin - simultanément en plusieurs endroits à l'intérieur du matériau», explique Eugene Demler.

Des processus complexes rendus visibles

Dans un solide, cependant, les méthodes conventionnelles ne permettent pas d'y parvenir. Les chercheuse et chercheurs peuvent tout au plus utiliser la diffraction des rayons X ou des neutrons pour déterminer comment les spins des électrons sont liés entre eux à deux positions - ce que l'on appelle la corrélation des spins. Les corrélations entre des arrangements complexes de spins et des électrons supplémentaires ou manquants ne peuvent pas être mesurées de cette manière.

Pour rendre visibles les processus complexes du mécanisme de Nagaoka, que Eugene Demler et Ivan Morera avaient calculés à l'aide d'un modèle, ils se sont tournés vers leurs collègues de Harvard et de Princeton. Les équipes de recherche dirigées par Markus Greiner et Waseem Bakr y ont développé des simulateurs quantiques qui peuvent être utilisés pour recréer avec précision les conditions à l'intérieur d'un solide. Au lieu de déplacer des électrons à l'intérieur d'un réseau d'atomes, les scientifiques américains utilisent dans ces simulateurs des atomes extrêmement froids piégés à l'intérieur d'un réseau optique constitué de faisceaux lumineux. Les équations mathématiques décrivant les électrons à l'intérieur du solide et les atomes à l'intérieur du réseau optique sont cependant presque identiques.

Instantanés colorés du système quantique

À l'aide d'un microscope à fort grossissement, les groupes de Markus Greiner et Waseem Bakr ont été en mesure de déterminer non seulement la position des atomes individuels, mais aussi la direction de leur spin. Ils ont traduit les informations obtenues à partir de ces instantanés du système quantique en graphiques colorés qui pouvaient être comparés aux images pointillistes théoriques. Eugene Demler et ses collègues avaient calculé théoriquement, par exemple, comment un électron supplémentaire dans le mécanisme de Nagaoka forme une paire avec un autre électron de spin opposé et se déplace ensuite à travers le réseau triangulaire du matériau comme un doublon. Selon la prédiction de Eugene Demler et Ivan Morera, ce doublon devrait être entouré d'un nuage d'électrons dont les directions de spin sont parallèles, ou ferromagnétiques. Un tel nuage est également connu sous le nom de polaron magnétique.

C'est exactement ce que les scientifiques américains ont observé lors de leurs expériences. De plus, s'il manquait un atome dans le réseau optique cristallin du simulateur quantique - ce qui correspond à un électron manquant ou à un trou dans le cristal réel -, le nuage qui se formait autour de ce trou était constitué de paires d'atomes dont les spins pointaient dans des directions opposées, comme Eugene Demler et Ivan Morera l'avaient prédit. Cet ordre antiferromagnétique (ou, plus précisément, ces corrélations antiferromagnétiques) avait déjà été détecté indirectement lors d'une expérience sur l'état solide réalisée à l'Université Cornell, aux États-Unis.

«Pour la première fois, nous avons résolu une énigme physique en utilisant l'expérience à la fois sur le «vrai» solide et dans le simulateur quantique. Notre travail théorique est la colle qui maintient le tout ensemble», déclare Eugene Demler. Il est persuadé qu'à l'avenir, sa méthode sera également utile pour résoudre d'autres problèmes délicats. Par exemple, le mécanisme à l'origine de la formation du nuage de polarons magnétiques pourrait également jouer un rôle important dans les supraconducteurs à haute température.