L’approche ‘Back to basics’ aide à démêler une nouvelle phase de la matière

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Une nouvelle phase de la matière, considérée comme compréhensible uniquement en utilisant la physique quantique, peut être étudiée avec des méthodes classiques beaucoup plus simples.


Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé la modélisation informatique pour étudier de nouvelles phases potentielles de matière connues sous le nom de cristaux à temps discret préthermique (DTC). On pensait que les propriétés des DTC préthermiques dépendaient de la physique quantique : les étranges lois régissant les particules à l’échelle subatomique. Cependant, les chercheurs ont découvert qu’une approche plus simple, basée sur la physique classique, peut être utilisée pour comprendre ces phénomènes mystérieux.La compréhension de ces nouvelles phases de la matière est un pas en avant vers le contrôle des systèmes complexes à N corps, un objectif de longue date avec diverses applications potentielles, telles que les simulations de réseaux quantiques complexes. Les résultats sont rapportés dans deux articles conjoints dans Physical Review Letters et Physical Review B.

Lorsque nous découvrons quelque chose de nouveau, qu’il s’agisse d’une planète, d’un animal ou d’une maladie, nous pouvons en apprendre davantage à son sujet en l’examinant de plus en plus près. Des théories plus simples sont essayées en premier, et si elles ne fonctionnent pas, des théories ou des méthodes plus compliquées sont tentées. “C’est ce que nous pensions être le cas avec les DTC préthermiques”, a déclaré Andrea Pizzi, doctorante au laboratoire Cavendish de Cambridge, premier auteur des deux articles. “Nous pensions qu’il s’agissait fondamentalement de phénomènes quantiques, mais il s’avère qu’une approche classique plus simple nous permet d’en apprendre davantage à leur sujet”.

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Les DTC sont des systèmes physiques très complexes, et il reste encore beaucoup à apprendre sur leurs propriétés inhabituelles. Comme un cristal spatial standard brise la symétrie translationnelle spatiale parce que sa structure n’est pas la même partout dans l’espace, les DTC brisent une symétrie translationnelle temporelle distincte car, lorsqu’ils sont “secoués” périodiquement, leur structure change à chaque “poussée”.

«Vous pouvez y penser comme un parent poussant un enfant sur une balançoire sur un terrain de jeu», a déclaré Pizzi. «Normalement, le parent pousse l’enfant, l’enfant se retourne et le parent le pousse à nouveau. En physique, c’est un système assez simple. Mais si plusieurs balançoires se trouvaient sur le même terrain de jeu et si les enfants se tenaient la main les uns aux autres, alors le système deviendrait beaucoup plus complexe et des comportements beaucoup plus intéressants et moins évidents pourraient émerger. Un DTC préthermique est l’un de ces comportements, dans lequel les atomes, agissant un peu comme des oscillations, ne «reviennent» qu’à chaque seconde ou troisième poussée, par exemple».

Prédits pour la première fois en 2012, les DTC ont ouvert un nouveau champ de recherche et ont été étudiés sous divers types, y compris expérimentalement. Parmi ceux-ci, les DTC préthermiques sont des systèmes relativement simples à réaliser qui ne chauffent pas rapidement comme on pourrait s’y attendre, mais présentent plutôt un comportement cristallin dans le temps pendant très longtemps: plus ils sont secoués rapidement, plus ils survivent longtemps. Cependant, on pensait qu’ils s’appuyaient sur des phénomènes quantiques. «Développer des théories quantiques est compliqué, et même lorsque vous le gérez, vos capacités de simulation sont généralement très limitées, car la puissance de calcul requise est incroyablement importante», a déclaré Pizzi.

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Maintenant, Pizzi et ses co-auteurs ont découvert que pour les DTC préthermiques, ils peuvent éviter d’utiliser des approches quantiques trop compliquées et utiliser à la place des approches classiques beaucoup plus abordables. De cette façon, les chercheurs peuvent simuler ces phénomènes de manière beaucoup plus complète. Par exemple, ils peuvent désormais simuler beaucoup plus de constituants élémentaires, accédant aux scénarios les plus pertinents pour les expériences, comme en deux et trois dimensions.

À l’aide d’une simulation informatique, les chercheurs ont étudié de nombreux spins en interaction – comme les enfants sur les balançoires – sous l’action d’un champ magnétique périodique – comme le parent poussant la balançoire – en utilisant la dynamique hamiltonienne classique. La dynamique résultante a montré de manière nette et claire les propriétés des DTC préthermiques : pendant longtemps, l’aimantation du système oscille avec une période plus grande que celle de l’entraînement.

“C’est surprenant à quel point cette méthode est propre”, a déclaré Pizzi. “Parce que cela nous permet d’examiner des systèmes plus importants, cela montre très clairement ce qui se passe. Contrairement aux méthodes quantiques, nous n’avons pas à nous battre avec ce système pour l’étudier. Nous espérons que cette recherche établira la dynamique hamiltonienne classique comme une approche appropriée pour les simulations à grande échelle de systèmes complexes à plusieurs corps et ouvrira de nouvelles voies dans l’étude des phénomènes de non-équilibre, dont les DTC préthermiques ne sont qu’un exemple”.

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Les co-auteurs de Pizzi sur les deux articles, qui étaient tous deux récemment basés à Cambridge, sont le Dr Andreas Nunnenkamp, ​​maintenant à l’Université de Vienne en Autriche, et le Dr Johannes Knolle, maintenant à l’Université technique de Munich en Allemagne. Pendant ce temps, à l’UC Berkeley aux États-Unis, le groupe de Norman Yao a également utilisé des méthodes classiques pour étudier les DTC préthermiques. Remarquablement, les équipes de Berkeley et de Cambridge ont simultanément abordé la même question. Le groupe de Yao publiera ses résultats sous peu.

Références

1. Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp, Johannes Knolle. ‘Classical Prethermal Phases of Matter’. Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.140602

2. Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp, Johannes Knolle. ‘Classical approaches to prethermal discrete time crystals in one, two, and three dimensions’. Physical Review B (2021). DOI: 10.1103/PhysRevB.104.094308

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