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Des scientifiques américains ont créé un aimant quantique dont la température s’avère un milliardième de degré supérieure au zéro absolu. Comprendre son fonctionnement pourrait notamment aider les physiciens à créer des matériaux supraconducteurs à haute température.

Aimants exotiques

Un aimant ordinaire repousse ou attire les objets magnétiques, en fonction de l’état de spin quantique de ses électrons (haut ou bas). Cependant, ce n’est pas la seule propriété qui peut être exploitée pour obtenir ce type d’objet. Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature Physics, Kaden Hazzard et ses collègues de l’université du Texas ont utilisé des atomes d’ytterbium pour créer une version quantique basée sur une propriété semblable au spin, présentant six variations, chacune associée à une couleur particulière.

Les chercheurs ont confiné les atomes sous vide dans une petite boîte en métal et en verre, puis ont utilisé des faisceaux laser pour réduire leur niveau d’énergie et refroidir ces amas de particules. Différentes configurations d’atomes, également obtenues en les manipulant à l’aide de lasers, ont été explorées afin de produire des aimants unidimensionnels, bidimensionnels et tridimensionnels.

Les atomes disposés en lignes et en feuilles ont atteint une température d’environ 1,2 nanokelvin, plus de 2 milliards de fois plus froide que l’espace interstellaire. L’agencement des aimants en trois dimensions était si complexe que les auteurs de l’étude tentent encore de déterminer la meilleure façon de mesurer leur température.

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« Nous avons obtenu les fermions [particules fondamentales de la matière] les plus froids de l’Univers », explique Hazzard. « Il y a dix ans encore, une telle expérience relevait du fantasme de théoricien. »

Des supra-conducteurs à haute température

Les physiciens s’intéressent depuis longtemps à la manière dont les atomes « communiquent » dans les aimants exotiques, car ils soupçonnent que des interactions similaires se produisent dans les supraconducteurs à haute température, qui conduisent parfaitement l’électricité. D’après l’équipe, comprendre précisément les mécanismes en jeu pourrait conduire au développement de matériaux plus performants.

« Sur les milliers d’atomes qu’impliquaient nos expériences, nous avons seulement pu prédire simultanément les couleurs de huit d’entre eux dans des configurations uni et bi-dimensionnelles », explique Eduardo Ibarra-García-Padilla, co-auteur de l’étude.

« L’expérience était juste assez froide pour que les atomes commencent à ‘prêter attention’ aux couleurs quantiques de leurs voisins, une propriété n’influençant pas leur interaction lorsqu’ils sont chauds », commente Victor Gurarie, de l’université du Colorado à Boulder. « En raison de la complexité des calculs, reproduire des expériences similaires pourrait être le seul moyen d’étudier ces aimants quantiques. »

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