Les particules quantiques en question: De nouvelles découvertes séduisent quant à leur réponse collective aux forces faibles
Le mouvement collectif est omniprésent à toutes les échelles dans la nature: de la nuée d’étourneaux aux bancs de poissons, en passant par l’essaimage des bactéries. Ces groupes d’animaux semblent être une entité unique régie par un esprit collectif. En transposant cette analogie au domaine de la physique, l’interaction entre les mondes microscopiques et macroscopiques est étudiée de manière intensive en mécanique statistique: de simples interactions entre les constituants microscopiques peuvent expliquer les propriétés mesurables des systèmes macroscopiques. Une fois rendu à l’échelle nanométrique, le monde étrange de la mécanique quantique prend le dessus. Prenez pour exemple la fractionalisation: les excitations collectives d’un système ne peuvent pas être construites comme une combinaison de ses constituants élémentaires. Si plusieurs techniques ont été développées pour comprendre des phénomènes similaires au sein de systèmes en équilibre, leur étude est beaucoup plus difficile pour les systèmes hors équilibre. Le projet ThermOutOfEq, financé par l’UE, a conçu des dispositifs d’ingénierie pour améliorer la compréhension théorique des phénomènes collectifs à l’échelle nanométrique. Il a également mis au point des approches théoriques pour étudier le comportement des systèmes chaotiques.
La flèche du temps pointe vers l’avant
Les chercheurs ont décrit des découvertes qui démontrent la nature réversible et irréversible de la dynamique quantique dans des conditions de faible entraînement. L’utilisation des états de produits matriciels a permis d’analyser le modèle quantique (modèle de chaîne de spin d’Heisenberg). Ce modèle très populaire décrit les interactions des spins magnétiques dans un réseau 1D et ses propriétés peuvent être calculées avec précision à l’équilibre. Bien que les composants microscopiques soient des spins individuels, les excitations collectives correspondent à des ondes de spin. Ces dernières se comportent essentiellement comme des particules: lorsque deux ondes de spin voyageant dans des directions opposées se rencontrent, elles peuvent se joindre dans un «état lié», une «particule» plus grande. Des paires d’états liés peuvent également interagir, générant un spectre complexe de «particules» de différentes tailles. «Pour mieux comprendre la dynamique des ondes de spin et leurs états liés hors équilibre, nous avons proposé un dispositif dans lequel un champ magnétique accélère les particules. Nous avons constaté que certains états liés ne sont pas stables lorsqu’ils se déplacent trop rapidement. Il existe une vitesse critique à laquelle ils se brisent en particules plus petites», explique Andrea De Luca, coordinateur du projet. Qui plus est, les chercheurs ont remarqué qu’il n’existe qu’une seule façon de former un état lié lorsque deux ou plusieurs ondes de spin fusionnent: par exemple, l’énergie de l’état lié est complètement fixe car l’énergie est conservée. À l’inverse, une fois qu’un état lié est rompu, il existe de nombreuses façons de répartir son énergie entre les particules émises. «Ce type de “manque d’information” est à l’origine de la création de l’entropie et de l’irréversibilité. Nous avons remarqué qu’avant que les ondes de spin n’atteignent une vitesse critique, le système est complètement réversible: une fois que nous inversons le champ magnétique, les ondes de spin retournent à leur état initial. Lorsqu’elles dépassent la vitesse critique, il n’y a aucune mémoire des états liés brisés», ajoute Andrea De Luca.
Matrices aléatoires et chaos quantique
Il est difficile de comprendre comment le chaos se manifeste dans la nature fluide et ondulatoire des phénomènes à l’échelle quantique. Dans le monde classique, une petite perturbation du mouvement de la particule (boule) sur un billard pourrait provoquer un changement important de sa trajectoire. Mais, dans le domaine quantique, il est impossible de définir une quelconque trajectoire dans les systèmes quantiques. La seule chose que nous savons, c’est que les systèmes quantiques chaotiques se comportent statistiquement comme des matrices aléatoires», explique Andrea De Luca. Les chercheurs ont confirmé cette conjecture de longue date en utilisant un circuit aléatoire de Floquet. Ils sont parvenus à fournir un exemple précisément résoluble d’un système quantique et chaotique composé d’un grand nombre de degrés de liberté et ont montré comment le chaos et le comportement des matrices aléatoires apparaissent ensemble.
Mots‑clés
ThermOutOfEq, ondes de spin, état lié, irréversible, excitations collectives, hors équilibre, chaos quantique, modèle de chaîne de spin d’Heisenberg, Floquet
