Des champs magnétiques variables dans le temps pour créer de la matière quantique exotique

La technologie quantique a un potentiel prometteur pour révolutionner la manière dont de grandes quantités d’informations complexes sont traitées. Déjà utilisée principalement dans des laboratoires et des contextes de recherche à l’échelle mondiale, les technologies quantiques sont en phase de transition vers des applications industrielles plus larges dans de nombreux secteurs économiques.

En recherchant les aspects fondamentaux de la physique quantique, ou le comportement de la nature aux plus petites échelles — impliquant atomes, électrons et photons — une étude dirigée par Ian Powell, chargé de cours au département de physique de Cal Poly, a analysé comment un champ magnétique changeant peut faire en sorte que la matière se comporte de manière inhabituelle.

Powell et l’étudiant chercheur Louis Buchalter, qui a obtenu une licence en physique à Cal Poly en 2025, ont publié l’article « Flux-Switching Floquet Engineering » dans la revue Physical Review B, mettant en évidence comment des champs magnétiques variant dans le temps peuvent créer des états quantiques qui n’existent dans aucun matériau stationnaire (restant dans le même état au fil du temps).

« À un niveau global, je décrirais cela comme une avancée dans notre compréhension de la manière dont le contrôle dépendant du temps peut créer et organiser de nouvelles formes de matière quantique », a déclaré Powell. « L’idée centrale est que des propriétés quantiques utiles peuvent dépendre non seulement de ce qu’est un matériau, mais aussi de la façon dont il est piloté dans le temps. Dans notre cas, nous montrons que modifier périodiquement un champ magnétique peut produire des phases quantiques pilotées sans équivalent statique. »

En concevant de nouveaux comportements quantiques en synchronisant le champ, les physiciens peuvent potentiellement créer des technologies très stables et difficiles à perturber par le « bruit » ou les imperfections qui peuvent interférer avec le fonctionnement de la technologie quantique et éviter les erreurs système.

Il est vrai, a admis Powell, qu’il est difficile de décrire les aspects techniques de l’étude à des non-physiciens. Mais conceptuellement, la recherche indique des voies possibles pour concevoir ces types d’états quantiques exotiques pilotés dans des plateformes contrôlées telles que des expériences d’atomes ultra-froids.

« La pertinence industrielle la plus directe de notre étude concerne l’informatique quantique et la simulation quantique, plutôt qu’un secteur d’utilisation finale spécifique à ce stade », a déclaré Powell. « Tout impact éventuel dans des domaines comme les produits pharmaceutiques, la finance, la fabrication ou l’aérospatiale serait probablement indirect, en contribuant au développement à plus long terme de meilleures technologies quantiques. Pour avancer vers une utilisation industrielle, les prochaines étapes seraient une validation expérimentale et un travail supplémentaire reliant ces idées à des plateformes de dispositifs quantiques réalistes. »

En appliquant les principes de la physique, le travail a également révélé une règle d’organisation mathématique qui fait écho à des schémas plus souvent associés à des systèmes quantiques de dimension supérieure, suggérant que des systèmes pilotés relativement simples pourraient offrir une nouvelle façon d’étudier ce type de physique.

La recherche montre que les phases exotiques pilotées peuvent apparaître, mais elle découvre également une règle d’organisation précise pour le diagramme de phase topologique du système, ou une carte visuelle qui délimite des phases distinctes et stables de la matière quantique basées sur des nombres topologiques immuables.

L’utilisation des principes de la physique en mécanique quantique exploite la capacité d’un système informatique à traiter l’information plus rapidement, à exécuter des simulations massives et à analyser beaucoup plus de données que l’informatique classique.

Les champs magnétiques sont l’un des principaux outils utilisés pour contrôler et lire les bits quantiques (ou qubits), l’unité fondamentale d’information utilisée dans la technologie quantique. Les qubits sont comparables aux unités de 0 et 1 dans l’informatique classique (appliquée dans l’informatique courante actuellement) utilisées pour représenter des états électriques physiques.

En tant qu’étudiant chercheur travaillant aux côtés de Powell, Buchalter a déclaré que la co-rédaction de l’article lui a appris « beaucoup sur le processus de conduite de la recherche et sur la manière dont les nouvelles découvertes de recherche sont efficacement communiquées à la communauté scientifique élargie. »

« J’ai appris que la recherche est rarement un processus simple, nécessitant souvent de la persévérance et une résolution créative de problèmes au cours d’un projet de recherche », a déclaré Buchalter. « Je crois que nos résultats aident à démontrer la puissance de l’ingénierie Floquet pour réaliser des systèmes quantiques aux propriétés hautement ajustables, ouvrant la voie à des recherches supplémentaires sur la matière quantique pilotée périodiquement et au développement de ses applications. »

Buchalter prévoit de poursuivre une maîtrise en sciences des matériaux et ingénierie à l’Université de Washington à l’automne, et de mener des recherches expérimentales sur la matière quantique. Il envisage de poursuivre une carrière dans un laboratoire national sur le développement de dispositifs quantiques après avoir terminé ses études.

« J’ai initialement entrepris le projet en raison de mon intérêt pour la physique de la matière condensée, cependant, je suis devenu fasciné par le domaine des matériaux quantiques grâce à mon expérience », a conclu Buchalter. « Je suis très intéressé de continuer à étudier la matière quantique et de contribuer au développement de ses applications dans les dispositifs électroniques et photoniques. »

Article : Flux-Switching Floquet Engineering – Journal : Physical Review B – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude

Source : Calpoly