Un témoin clé aide à détecter une intrication quantique par diffusion de neutrons dans des matériaux solides

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Des scientifiques de l’ORNL démontrent comment l’intrication quantique peut être directement observée dans l’antiferromagnétique de Heisenberg quasi-1D KCuF3.


Les spins d’un matériau, représentés par des sphères rouges, sont sondés par des neutrons dispersés. L’application d’un témoin d’intrication, tel que le calcul QFI illustré, fait que les neutrons forment une sorte de jauge quantique. Cette jauge permet aux chercheurs de distinguer les fluctuations de spin classiques et quantiques. Crédit: © Nathan Armistead/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

L’intrication quantique se produit lorsque deux particules semblent communiquer sans connexion physique, un phénomène qu’Albert Einstein a appelé “action effrayante à distance”. Près de 90 ans plus tard, une équipe dirigée par le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du département américain de l’Énergie a démontré la viabilité d’un “témoin d’intrication quantique” capable de prouver la présence d’intrication entre des particules magnétiques, ou spins, dans un matériau quantique.

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L’équipe – comprenant des chercheurs de l’ORNL, du Helmholtz-Zentrum Berlin, de l’Université technique de Berlin, de l’Institut Laue-Langevin, de l’Université d’Oxford et de l’Université Adam Mickiewicz – a testé trois témoins d’intrication en utilisant une combinaison d’expériences de diffusion de neutrons et de simulations informatiques. Les témoins d’intrication sont des techniques qui agissent comme des outils d’analyse de données pour déterminer quels spins franchissent le seuil entre les royaumes classique et quantique.

Détecter les témoins d’intrication

Introduits pour la première fois par John Stewart Bell dans les années 1960, les témoins de l’intrication ont confirmé que la théorie quantique remise en question par d’autres scientifiques était correcte. La technique de Bell reposait sur la détection d’une paire de particules à la fois, mais cette approche n’est pas utile pour étudier les matériaux solides composés de milliers de milliards et de milliards de particules. En ciblant et en détectant de grandes collections de spins intriqués à l’aide de nouveaux témoins d’intrication, l’équipe a étendu ce concept pour caractériser les matériaux solides et étudier le comportement exotique des supraconducteurs et des aimants quantiques.

Pour s’assurer que les témoins pouvaient être dignes de confiance, l’équipe les a appliqués tous les trois à un matériau qu’ils savaient être enchevêtré en raison d’une étude précédente sur la dynamique des spins. Deux des témoins, qui sont basés sur l’approche de Bell, ont adéquatement indiqué la présence d’un enchevêtrement dans cette chaîne de spins unidimensionnelle – une ligne droite de spins adjacents qui communiquent avec leurs voisins tout en faisant abstraction des autres particules – mais le troisième, qui est basé sur la théorie de l’information quantique, s’en sort exceptionnellement bien pour la même tâche. “Le témoin d’informations quantiques de Fisher, ou QFI, a montré un chevauchement étroit entre la théorie et l’expérience, ce qui en fait un moyen robuste et fiable de quantifier l’intrication”, a déclaré Allen Scheie, associé de recherche postdoctoral à l’ORNL et auteur principal de la preuve publiée dans Physical Review B.

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Étant donné que les fluctuations d’un matériau qui semblent être de nature quantique peuvent être causées par un mouvement thermique aléatoire, qui ne disparaît qu’au zéro absolu sur l’échelle de température, la plupart des méthodes modernes ne peuvent pas faire la distinction entre ces fausses alarmes et l’activité quantique réelle. L’équipe a non seulement confirmé la prédiction théorique selon laquelle l’enchevêtrement augmente à mesure que la température diminue, mais a également réussi à différencier l’activité classique de l’activité quantique dans le cadre de la démonstration QFI la plus complète depuis que la technique a été proposée en 2016.

“Les matériaux les plus intéressants sont pleins d’intrication quantique, mais ce sont précisément ceux qui sont les plus difficiles à calculer”, a déclaré Alan Tennant, scientifique en diffusion de neutrons de l’ORNL, qui dirige un projet axé sur les aimants quantiques pour le Quantum Science Center, ou QSC. , un centre national de recherche en sciences de l’information quantique du DOE dont le siège est à ORNL. Auparavant, le défi d’identifier rapidement les matériaux quantiques constituait un obstacle important à la mission du centre, qui consiste à exploiter l’intrication pour développer de nouveaux dispositifs et capteurs tout en faisant progresser le domaine de la science de l’information quantique.

La rationalisation de ce processus avec QFI permet aux chercheurs de QSC de se concentrer sur l’exploitation de la puissance de substances telles que des phases rares de la matière appelées liquides de spin quantique et des matériaux qui ne résistent pas à l’électricité appelés supraconducteurs pour le stockage de données et les applications informatiques. “La puissance de QFI vient de sa connexion à la métrologie quantique, dans laquelle les scientifiques entremêlent plusieurs quasiparticules pour réduire l’incertitude et obtenir des mesures extrêmement précises”, a déclaré Scheie. “Le témoin QFI renverse cette approche en utilisant la précision d’une mesure existante pour déterminer le nombre minimum de particules avec lesquelles chaque rotation est enchevêtrée. C’est un moyen puissant de révéler les interactions quantiques, ce qui signifie que QFI est vraiment applicable à tout matériau magnétique quantique”.

La nouvelle avancée

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Après avoir établi que QFI pouvait correctement catégoriser les matériaux, l’équipe a testé une deuxième chaîne de spin unidimensionnelle, un matériau plus complexe présentant une anisotropie, qui est une propriété qui fait que les spins se trouvent dans un plan plutôt que de tourner au hasard. Les chercheurs ont appliqué un champ magnétique à la chaîne de spin et observé une transition d’intrication, dans laquelle la quantité d’intrication est tombée à zéro avant de réapparaître. Ils ont publié cette découverte dans Physical Review Letters.

Pour obtenir ces résultats, les chercheurs ont étudié les deux chaînes de spin à l’aide de la diffusion de neutrons, puis ont analysé les données héritées d’expériences menées il y a des décennies à la source de neutrons ISIS en Angleterre et à l’Institut Laue-Langevin en France ainsi que de nouvelles données du Wide Angular-Range Chopper. Spectromètre situé à la source de neutrons de spallation, une installation utilisateur du DOE Office of Science exploitée par ORNL. Ils ont également effectué des simulations complémentaires pour valider les résultats par rapport à des données théoriques idéalisées.

Les neutrons, que Tennant décrit comme “magnifiquement simples”, sont un outil idéal pour sonder les propriétés d’un matériau en raison de leur charge neutre et de leur nature non destructive. “En étudiant la distribution des neutrons qui se diffusent à partir d’un échantillon, qui transfère de l’énergie, nous avons pu utiliser les neutrons comme jauge pour mesurer l’intrication quantique sans recourir à des théories et sans avoir besoin d’ordinateurs quantiques massifs qui n’existent pas encore”, a déclaré Tennant.

L’impact de la découverte

Selon l’équipe, cette combinaison de ressources informatiques et expérimentales avancées a fourni des réponses sur la nature de l’intrication quantique demandées à l’origine par les fondateurs de la mécanique quantique. Scheie s’attend à ce que les calculs QFI fassent probablement partie de la procédure standard pour les expériences de diffusion de neutrons qui pourraient éventuellement caractériser même les matériaux quantiques les plus mystérieux.

Voir la publication

A. Scheie, Pontus Laurell, A. M. Samarakoon, B. Lake, S. E. Nagler, G. E. Granroth, S. Okamoto, G. Alvarez, and D. A. Tennant. “Witnessing entanglement in quantum magnets using neutron scattering”. Phys. Rev. B 103, 224434 – Published 28 June 2021

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