Des scientifiques de Harvard observent un nouvel état de la matière : le liquide de spin quantique

Un état exotique de la matière, initialement proposé il y a près de 50 ans, a été observé pour la première fois. Créé par des chercheurs de Harvard, ce matériau appelé liquide de spin quantique pourrait contribuer à améliorer la stabilité des ordinateurs quantiques.

Une première

Pour qu’un matériau devienne magnétique, les spins des électrons qui le composent doivent être hautement ordonnés. Le type de magnétisme le plus courant, tel que vous l’observez sur votre réfrigérateur, fonctionne parce que les spins de tous les électrons du matériau s’alignent dans la même direction. D’autres types de magnétisme peuvent se produire lorsque les spins d’électrons voisins oscillent selon un motif en damier.

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Mais en 1973, le physicien Philip Anderson a prédit qu’un état de la matière, connu sous le nom de liquide de spin quantique, ne suivrait pas ces règles. Lorsque le matériau serait refroidi, il ne formerait pas un solide et, surtout, ses électrons ne se stabiliseraient pas dans un état hautement ordonné. Au lieu de cela, ces derniers changeraient constamment d’état, s’entremêlant les uns aux autres dans un état quantique complexe.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Science, une équipe de scientifiques de Harvard a créé et observé un liquide de spin quantique pour la première fois. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé le simulateur quantique programmable qu’ils avaient mis au point il y a quelques années. Un total de 219 atomes ont été suspendus à l’aide de lasers afin de former une grille, ce qui a permis à l’équipe de manipuler soigneusement leurs propriétés, y compris les spins de leurs électrons.

Les chercheurs ont disposé les atomes dans un réseau triangulaire, impliquant que chacun possède deux voisins immédiats. Une paire d’électrons peut se stabiliser magnétiquement dans un sens ou dans l’autre, car leurs spins peuvent s’aligner ou alterner, mais la présence d’un troisième rompt cet équilibre, créant alors un « aimant frustré » qui ne peut se stabiliser.

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Des phénomènes quantiques utiles

Le liquide de spin quantique qui en résulte présente quelques phénomènes quantiques utiles, comme l’intrication (où les atomes peuvent s’influencer mutuellement sur de grandes distances et même « téléporter » des informations) et la superposition quantique, où les atomes peuvent occuper simultanément plusieurs états. Deux phénomènes utiles pour l’informatique quantique, promettant des machines moins sensibles aux interférences extérieures.

« Nous avons montré les toutes premières étapes de la création de ce qubit topologique, mais nous devons encore démontrer comment le coder et le manipuler », explique Giulia Semeghini, auteure principale de l’étude. « Il y a maintenant beaucoup plus à explorer. »