Des nouvelles du projet QSpec-NewMat: de nouveaux outils pour mieux comprendre les phénomènes liés aux matériaux
Financé par le Conseil européen de la recherche (CER), le projet QSpec-NewMat a développé la boîte à outils en combinant les principes de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps et de l’électrodynamique quantique (EDQ). Cela a conduit à une nouvelle approche appelée théorie de la fonctionnelle de la densité électrodynamique quantique (QEDFT pour «quantum electrodynamical density functional theory»). Ces outils utilisent la lumière pour comprendre et contrôler les phénomènes quantiques dans des systèmes complexes en équilibre ou non. QSpec-NewMat a poursuivi sa ligne de recherche en étudiant la physique de la cavité EDQ des états corrélés lumière-matière, tels que les états de Hall quantiques entiers et fractionnaires. «L’amélioration de la supraconductivité dans une cavité optique est une voie particulièrement intéressante», déclare Angel Rubio, directeur du coordinateur du projet, l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, en Allemagne. «L’un des aspects les plus passionnants des phénomènes quantiques médiés par la cavité-EDQ se produit dans le régime de couplage fort lumière-matière, lorsque le "champ lumineux" n’est pas fourni par un champ laser externe, mais par les fluctuations du vide de la cavité.» Ce fait différencie clairement la physique des cavités EDQ des phénomènes optiques non linéaires ordinaires induits par un champ externe puissant et qui impliquent inévitablement des états excités et/ou non équilibrés de la matière. Cela a ouvert de nouvelles perspectives passionnantes pour l’étude de l’interaction de la lumière quantifiée avec des systèmes quantiques à plusieurs corps. En outre, cette approche a fourni plusieurs prédictions intrigantes, notamment l’amélioration de la supraconductivité, l’activation des transitions paraélectriques-ferroélectriques dans les pérovskites, l’induction de phases topologiques émergentes et le contrôle des réactions photochimiques (inhibition, orientation et même catalyse d’un processus chimique et d’un transfert d’énergie). Une nouvelle idée consiste à contrôler les interactions entre plusieurs corps à l’aide d’une cavité. En modifiant le hamiltonien de la particule unique par le couplage avec la matière de la cavité, il est possible de sélectionner les conditions d’interaction pertinentes et de contrôler ainsi la forme de leurs interactions effectives. Une autre question intéressante est de savoir si les cavités optiques peuvent servir de plateformes pour la réalisation à l’état solide de concepts issus de la physique des hautes énergies et la réalisation de nouvelles quasiparticules fermioniques dans les cavités. «Ces avancées dans le domaine du contrôle des matériaux reposent sur l’utilisation d’un cadre polyvalent et précis de premiers principes qui intègre tous les degrés de liberté pertinents – photons, électrons, phonons et environnement – sur un pied d’égalité», conclut Angel Rubio. «Grâce en partie au financement du CER, les nouveaux cadres théoriques QEDFT et EDQ couple-cluster ont été développés pour relever ce défi».
Mots‑clés
QSpec-NewMat, quantique, matériau, matériau complexe, électrodynamique quantique, théorie de la fonctionnelle de la densité de l’électrodynamique quantique, cavité, lumière