Les transitions entre différentes phases de la matière font partie de notre vie courante : leau qui gèle passe ainsi de létat liquide à létat solide. Mais certaines de ces transitions peuvent avoir une nature différente, liées aux propriétés dexcitations dites topologiques, qui font agir collectivement lensemble des particules. Le composé BACOVO, inconnu du grand public, est un matériau quantique unidimensionnel sur lequel se sont penchés des chercheurs de lUniversité de Genève (UNIGE) et du CEA, du CNRS et de lUGA, en collaboration avec des scientifiques des centres de neutronique ILL et PSI. Ils ont découvert dans ce matériau une nouvelle transition de phase topologique, non pas gouvernée par un seul, mais par deux types dexcitations topologiques. En outre, ils ont également pu sélectionner lequel dominerait lautre grâce à un champ magnétique et ainsi contrôler la transition. Leur recherche est à découvrir dans la revue Nature Physics.
Les chercheurs se sont appuyés sur les travaux du Prix Nobel de physique 2016, décerné aux physiciens David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, qui prédisent quun jeu dexcitations topologiques dans un matériau quantique est susceptible dinduire une transition de phase. De nombreuses théories ont été élaborées sur ces excitations topologiques, notamment sur la possibilité den confronter deux dans un seul et même matériau. Mais est-ce possible ? Et si oui, que se passerait-il ? Les chercheurs ont pu apporter la première confirmation expérimentale de la théorie de lexistence de deux jeux simultanés dexcitations topologiques et de leur compétition. Une petite révolution dans le monde mystérieux des propriétés quantiques.
La théorie et lexpérience intimement liées
Les chercheurs du du CEA, du CNRS et de lUGA travaillaient justement sur un matériau anti-ferromagnétique unidimensionnel aux propriétés particulières, nommé BACOVO (BaCo2V2O8). «Nous avons effectué différentes expériences sur BACOVO, un oxyde caractérisé par sa structure en hélice, expliquent en choeur Béatrice Grenier, Sylvain Petit et Virginie Simonet, chercheurs aux CEA, CNRS et à lUGA. Mais nous étions confrontés, dans nos résultats expérimentaux, à une transition de phase mystérieuse». Cest pourquoi leur équipe a fait appel à celle de Thierry Giamarchi, professeur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de lUNIGE. «A partir de leurs résultats, nous avons établi des schémas théoriques capables de les interpréter, explique le physicien genevois. Puis ces modèles théoriques ont à nouveau été testés par de nouvelles expériences, afin de les valider.»
Création du «modèle standard»
Lobjectif était donc de comprendre comment fonctionnent les propriétés quantiques de BACOVO, notamment ses excitations topologiques. «Pour cela, nous avons utilisé la diffusion des neutrons. Cela signifie que nous envoyons un faisceau de neutrons sur le matériau. Les neutrons se comportent comme des petits aimants qui interagissent avec ceux de BACOVO selon une stratégie «perturber pour révéler», qui nous permet de comprendre leurs propriétés», détaille Quentin Faure, doctorant à lInstitut Nèel du CNRS et à lInstitut nanosciences et cryogénie (CEA/UGA). Lorsque le modèle développé par lUNIGE concorde avec lexpérience, il devient le «modèle standard» du matériau. «Et effectivement, le modèle que nous avons établi avec Shintaro Takayoshi a prédit exactement le résultat de lexpérience !», se réjouit Thierry Giamarchi.
Un matériau aux propriétés inattendues
Mais cette expérience a permis une découverte que les scientifiques navaient pas anticipée. «Après avoir établi le «modèle standard» de BACOVO, nous avons observé des propriétés inattendues», senthousiasme Shintaro Takayoshi, chercheur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de lUNIGE. En effet, une fois placé dans un champ magnétique, BACOVO développe un deuxième jeu dexcitations topologiques qui est en compétition avec le premier, confirmant des théories des années 70-80 construites grâce au domaine ouvert par les travaux des nobélisés. «En plus de prouver lexistence de cette confrontation de deux jeux dexcitations topologiques au sein dun même matériau, du jamais vu, nous avons été en mesure de contrôler expérimentalement quel jeu domine lautre», ajoute le chercheur genevois. Une première !
Ce qui nétait au départ quune hypothèse théorique est ainsi devenu une expérience vérifiée. Grâce à un travail danalyse poussé sur BACOVO, les physiciens et physiciennes de léquipe ont prouvé que deux jeux dexcitations topologiques entrent en confrontation directe dans un même matériau et contrôlent son état. En fonction du jeu dominant, cette confrontation conduit ainsi à une transition de phase quantique. De plus, les scientifiques ont été en mesure de contrôler quel jeu lemporte, pouvant ainsi régler à loisir létat de la matière de BACOVO. «Ces résultats ouvrent tout un champ de possibles dans la recherche de la physique quantique, conclut Thierry Giamarchi. Certes, nous en sommes encore au niveau fondamental, mais cest par ce genre de découvertes que chaque jour nous nous rapprochons dapplications des propriétés quantiques des matériaux, et pourquoi pas de lordinateur quantique !»
###
Journal
Nature Physics