Des chercheurs grenoblois ont contribué à valider une théorie sur les matériaux quantiques

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FIL INFO – Pour la première fois, un consortium franco-suisse de physiciens – dont des scientifiques de l’Université Grenoble-Alpes, du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives et du Centre national de la recherche scientifique de Grenoble  – ont confirmé une théorie sur les transitions de phase topologiques. Autrement dit, dans certains cas, le mystérieux passage de la matière d’un état physique à un autre. Cette découverte majeure a été publiée dans la revue Nature Physics, le 7 mai 2018.

 

 

Des chercheurs grenoblois valident une théorie sur les transitions de phase topologiques. Cette découverte a été publiée dans Nature Physics, le 7 mai 2018.Transition de phase « classique », de l'état solide à l'état gazeux. DR

Transition de phase « clas­sique », de l’é­tat liquide à l’é­tat gazeux. DR

Nous connais­sons tous les tran­si­tions de phase « clas­siques » de la matière, comme lorsque l’eau liquide devient gelée en refroi­dis­sant ou gazeuse en chauf­fant. Mais on connaît moins les chan­ge­ments d’état plus « exo­tiques » de cer­tains maté­riaux, appe­lés tran­si­tions de phase topo­lo­giques.

 

Ces trans­for­ma­tions, qui échappent à l’explication par des modèles simples fai­sant inter­ve­nir un atome ou un élec­tron à la fois, requièrent une prise en compte des effets « col­lec­tifs » d’un grand nombre d’élec­trons en inter­ac­tion constante.

 

 

Des hypothèses exceptionnellement validées grâce à des expériences

 

Dans ce domaine, les théo­ries qui s’appuient sur les lois de la phy­sique quan­tique foi­sonnent et res­tent sou­vent à l’état d’hypothèses, tant il est vrai que les expé­riences les véri­fiant s’avèrent rares.

 

D’où le carac­tère remar­quable des tra­vaux des cher­cheurs franco-suisses des uni­ver­si­tés Grenoble-Alpes (UGA) et de Genève (Unige), du Commissariat à l’énergie ato­mique et aux éner­gies alter­na­tives (CEA) et des Centres natio­naux de la recherche scien­ti­fique (CNRS) de Grenoble et Saclay. Ce, en col­la­bo­ra­tion avec des scien­ti­fiques des centres de neu­tro­nique de l’Institut gre­no­blois Laue-Langevin (ILL) et de l’Institut suisse Paul Scherrer (PSI).

 

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Publiés dans la revue Nature Physics, le 7 mai 2018, leurs expé­riences valident une théo­rie sur les tran­si­tions de phase topo­lo­giques, domaine de recherche ini­tié par les prix Nobel de phy­sique 2016, David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz.

 

 

Bacovo, un matériau modèle pour vérifier les transitions de phases topologiques

 

Cette théo­rie, quelle est-elle ? Elle pré­dit qu’un jeu d’excitations topo­lo­giques dans un maté­riau quan­tique est sus­cep­tible d’induire une tran­si­tion de phase. Qu’entendent les scien­ti­fiques par exci­ta­tions topo­lo­giques ? « Des défauts dans la matière que l’on ne peut pas éli­mi­ner par une défor­ma­tion conti­nue de l’espace », explique Virginie Simonet, cher­cheur du CNRS à l’institut Néel de Grenoble. Et de pré­ci­ser : « comme par exemple, une ran­gée d’atomes qui a dis­paru dans le maté­riau ».

 

Figure de la structure magnétique de Bavoco. DR

Figure de la struc­ture magné­tique de Bavoco. DR

Les scien­ti­fiques gre­no­blois n’étaient pour­tant pas par­tis pour vali­der cette théo­rie. Ils explo­raient les pro­prié­tés d’un maté­riau anti-fer­ro­ma­gné­tique inconnu du grand public, du nom de Bacovo (BaCo2V208), quand ils ont observé une tran­si­tion de phase mys­té­rieuse.

 

Pour com­prendre com­ment fonc­tionnent les pro­prié­tés quan­tiques de Bacovo, notam­ment ses exci­ta­tions topo­lo­giques, les scien­ti­fiques gre­no­blois ont alors fait appel à l’équipe de théo­ri­ciens de Thierry Giamarchi, pro­fes­seur au dépar­te­ment de phy­sique de la matière quan­tique de la faculté des sciences de l’Unige, membre de l’Académie des sciences de l’Institut de France.

 

 

« Nous nous rap­pro­chons d’applications des pro­prié­tés quan­tiques des maté­riaux »

 

Le consor­tium franco-suisse a ainsi pu démon­trer que la tran­si­tion de phase topo­lo­gique de Bacovo,

n’était pas gou­ver­née par un seul, mais par deux types d’excitations topo­lo­giques en com­pé­ti­tion. Une satis­fac­tion immense pour ces scien­ti­fiques qui ont réussi à trans­for­mer une hypo­thèse théo­rique en expé­rience véri­fiée.

 

Mieux encore, les phy­si­ciens sont par­ve­nus à sélec­tion­ner quel type d’excitations domi­ne­rait l’autre grâce à l’application d’un champ magné­tique intense. De quoi leur per­mettre de contrô­ler le jeu qui l’emporte et régler ainsi à loi­sir l’état de la matière de Bacovo. Une pre­mière !

 

« Ces résul­tats ouvrent tout un champ de pos­sibles dans la recherche de la phy­sique quan­tique, se réjouit Thierry Giamarchi. Certes, nous en sommes encore au niveau fon­da­men­tal, mais c’est par ce genre de décou­vertes que chaque jour nous nous rap­pro­chons d’applications des pro­prié­tés quan­tiques des maté­riaux, et pour­quoi pas de l’ordinateur quan­tique ! », se prend-il encore à rêver.

 

 

Véronique Magnin

 

 

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