La « mort subite » des fluctuations quantiques défie les théories actuelles

Des physiciens ont découvert un changement abrupt dans le comportement quantique lors d’expériences avec un isolant de trois atomes d’épaisseur qui peut être facilement transformé en supraconducteur. Cette recherche promet d’améliorer notre compréhension de la physique quantique dans les solides en général et de propulser l’étude de la physique de la matière condensée quantique et de la supraconductivité dans de nouvelles directions potentielles.

Les chercheurs, dirigés par Sanfeng Wu, professeur adjoint de physique à l’Université de Princeton, ont découvert que l’arrêt soudain (ou «mort») des fluctuations quantiques mécaniques présente une série de comportements et de propriétés quantiques uniques qui semblent échapper aux théories établies. Les fluctuations sont des changements aléatoires temporaires dans l’état thermodynamique d’un matériau qui est sur le point de subir une transition de phase.

Les chercheurs ont commencé avec un cristal massif de ditellurure de tungstène (WTe2), qui est classé comme un semi-métal en couches. Ils ont converti le ditellurure de tungstène en un matériau bidimensionnel en l’exfoliant de plus en plus, ou en le pelant, jusqu’à obtenir une couche unique d’épaisseur atomique. À ce niveau de minceur, le matériau se comporte comme un isolant très fort, ce qui signifie que ses électrons ont un mouvement limité et ne peuvent donc pas conduire l’électricité.

Des résultats inattendus

Une fois que les auteurs ont pu mesurer ces fluctuations quantiques, ils ont découvert une série de phénomènes inattendus. La première surprise a été la robustesse remarquable des vortex. L’expérience a démontré que ces vortex persistent à des températures et des champs magnétiques beaucoup plus élevés que prévu. Ils survivent à des températures et des champs bien au-dessus de la phase supraconductrice, dans la phase résistive du matériau.

Une deuxième surprise majeure est que le signal du vortex a disparu brusquement lorsque la densité d’électrons a été réglée juste en dessous de la valeur critique à laquelle se produit la transition de phase quantique de l’état supraconducteur. À cette valeur critique de densité d’électrons, que les chercheurs appellent le point critique quantique (QCP) qui représente un point à température zéro dans un diagramme de phase, les fluctuations quantiques entraînent la transition de phase.

« Nous avons besoin d’une nouvelle théorie pour décrire ce qui se passe dans ce cas« , a précisé Sanfeng Wu, « et c’est quelque chose que nous espérons aborder dans de futurs travaux, à la fois théoriquement et expérimentalement« .

En synthèse

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la physique quantique. Les résultats de cette recherche, bien que surprenants, soulignent l’importance de continuer à explorer et à comprendre les comportements quantiques, en particulier dans le domaine de la supraconductivité.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la supraconductivité ?

La supraconductivité est un phénomène qui se produit lorsque les électrons se regroupent et circulent en unisson sans résistance et sans dissipation d’énergie.

Qu’est-ce qu’un vortex quantique ?

Un vortex quantique ressemble à un petit tourbillon composé d’un brin microscopique de champ magnétique piégé à l’intérieur d’un courant d’électrons tourbillonnant.

Qu’est-ce que le point critique quantique (QCP) ?

Le point critique quantique (QCP) est un point à température zéro dans un diagramme de phase, où les fluctuations quantiques entraînent la transition de phase.

Qu’est-ce que le ditellurure de tungstène (WTe2) ?

Le ditellurure de tungstène (WTe2) est un semi-métal en couches qui a été utilisé dans cette expérience.

Qu’est-ce que la transition de phase ?

La transition de phase se produit lorsqu’un matériau, comme un liquide, un gaz ou un solide, passe d’un état ou d’une forme à un autre.

Références

Légende illustration principale : Une équipe de physiciens de l’université de Princeton, dirigée par (de gauche à droite) le professeur Sanfeng Wu, le professeur Nai Phuan Ong et le boursier Dicke Tiancheng Song, est l’auteur d’une nouvelle étude qui remet en question les idées reçues sur les transitions quantiques supraconductrices. Crédit : Yanyu Jia

Article: « Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2 » – DOI: 10.1038/s41567-023-02291-1