Quand les électrons disparaissent lentement pendant le refroidissement

Il existe un domaine fascinant dans le monde de la physique, là où les lois de la mécanique quantique règnent et où des phénomènes étranges peuvent être observés. Il s’agit du royaume des transitions de phase exotiques où les substances changent de propriétés lorsqu’elles sont refroidies en dessous d’une certaine température critique.

Des chercheurs de l’Université de Bonn et de l’ETH Zurich ont récemment trouvé une manière de démontrer directement l’occurrence de ces transitions de phase. Leurs découvertes ont été publiées dans le journal Nature Physics.

Comprendre les transitions de phase

On parle de transition de phase quand une substance change soudainement ses propriétés. Par exemple, quand de l’eau est refroidie en dessous de zéro degré Celsius, elle se solidifie en glace. Cependant, dans certains métaux, des transitions de phase se produisent qui n’existent pas dans le macrocosme. Ces transitions de phase résultent des lois spéciales de la mécanique quantique qui régissent le comportement des plus petits constituants de la nature.

Il existe aussi des transitions de phase où les caractéristiques d’une substance changent graduellement. Par exemple, si on chauffe un aimant en fer jusqu’à 760 degrés Celsius, il perd progressivement son attraction pour d’autres morceaux de métal. Ce processus ne se produit pas brusquement, mais de manière continue. Ainsi, pendant que le métal est chauffé, il peut être à la fois un peu ferromagnétique et un peu paramagnétique.

Les particules de matière ne peuvent pas être détruites

Une « réduction de vitesse » est typique pour les transitions de phase basées sur l’excitation des bosons, particules qui « génèrent » des interactions, comme par exemple le magnétisme. La matière, quant à elle, n’est pas composée de bosons mais de fermions. Les électrons, par exemple, appartiennent aux fermions.

Le Professeur Hans Kroha du Bethe Center for Theoretical Physics à l’Université de Bonn explique que « les fermions ne peuvent pas être détruits en raison des lois fondamentales de la nature et ne peuvent donc pas disparaître. C’est pourquoi normalement ils ne participent jamais aux transitions de phase. »

Les électrons se transforment en quasi-particules

Dans certains matériaux quantiques exotiques, les électrons peuvent former un état de superposition, produisant ce que l’on appelle des quasi-particules. Contrairement aux « électrons normaux« , ces quasi-particules peuvent être détruites lors d’une transition de phase. Cela signifie que les propriétés d’une transition de phase continue peuvent également être observées là, notamment la réduction de vitesse critique.

Jusqu’à présent, cet effet n’a pu être observé qu’indirectement dans les expériences. Les chercheurs dirigés par le physicien théorique Hans Kroha et le groupe expérimental de Manfred Fiebig à l’ETH Zurich ont maintenant développé une nouvelle méthode, qui permet d’identifier directement l’effondrement des quasi-particules lors d’une transition de phase, notamment le ralentissement critique associé.

En synthèse

Les découvertes de ces chercheurs contribuent à une meilleure compréhension des transitions de phase dans le monde quantique. Ces travaux ont permis de démontrer pour la première fois de manière directe qu’un tel ralentissement peut également se produire avec les fermions. À long terme, ces résultats pourraient s’avérer utiles pour des applications en technologie de l’information quantique.

Pour une meilleure compréhension

Q : Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

R : C’est un changement soudain des propriétés d’une substance, comme lorsque de l’eau se solidifie en glace.

Q : Qu’est-ce qui distingue les transitions de phase dans le monde quantique ?

R : Dans le monde quantique, des transitions de phase peuvent se produire où les électrons se transforment en quasi-particules, qui peuvent être détruites lors d’une transition de phase.

Q : Qu’est-ce qui a été démontré dans cette recherche ?

R : Les chercheurs ont démontré pour la première fois de manière directe que les fermions peuvent aussi subir un ralentissement dans une transition de phase, grâce à une nouvelle méthode qui permet d’identifier directement l’effondrement des quasi-particules.