Expérience obtenue de mesure de la chaleur dans un système quantique, qui n’est décrit par aucun modèle de physique classique
Par Júlio Bernardes
En physique, les systèmes quantiques sont ceux dans lesquels le comportement des molécules, des atomes et des particules ne peut être décrit par aucun modèle classique. Un exemple est un système quantique de spins. Le spin peut être défini comme la manifestation quantique de la rotation des électrons (qui sont des particules chargées électriquement dans les atomes). Lorsque plusieurs électrons ont la même rotation, c’est-à-dire le même spin, on dit que tout le système est dans le même état, ce qu’on appelle la phase quantique. Les changements entre les phases quantiques ou les transitions de phase quantiques peuvent se produire dans des conditions extrêmes de très basses températures, de pressions et de champs magnétiques élevés, ce qui rend impossible la mesure de leurs propriétés, telles que la chaleur (quantité d’énergie) par des techniques traditionnelles.
À l’Institut de physique (IF) de l’USP, une expérience menée par le professeur Júlio Larrea, en collaboration internationale, a testé une technique innovante pour mesurer avec une grande précision la chaleur existant dans un système quantique avec des températures proches du zéro absolu (moins 273 degrés Celsius). , hautes pressions et champs magnétiques intenses. Grâce à la méthode, les physiciens ont vérifié que les transitions de phase dans un système de spin quantique avaient des caractéristiques similaires au passage de l’eau de l’état gazeux au liquide. Les résultats des travaux peuvent aider au développement d’applications nécessitant un transport d’énergie sans perte, comme des systèmes informatiques à très haute capacité de traitement, dans lesquels il est nécessaire de mesurer l’énergie retenue sous forme de chaleur.
Le travail est présenté dans article publié sur le site Internet du magazine Nature le 14 avril de cette année. Les résultats de l’expérience montrent que la transition de phase dans le système de spin quantique, lorsque l’état change, est similaire à ce qui se passe lorsque l’eau passe du liquide au gazeux.
«Lorsque l’eau bout à 100 degrés Celsius, à pression atmosphérique, on observe que le liquide se transforme en gaz, c’est-à-dire en vapeur, mais dans cette transition de phase qui commence à des pressions et des températures plus basses, le liquide et le gaz coexistent en même temps ., provoquant un saut brutal dans la densité des particules, ce que les physiciens appellent la transition de phase du premier ordre ou transition de phase discontinue », explique le professeur au Journal de l’USP. «Dans le système de spin quantique, où la transition de phase quantique a lieu à température nulle absolue, à pression critique, deux états de spin, c’est-à-dire deux rotations différentes des électrons, coexistent simultanément, indiqué par un saut discontinu dans la densité du spins, qui est classée comme une transition de phase quantique du premier ordre. »
Selon Larrea, dans l’eau, avec l’augmentation de la température et de la pression (à des niveaux supérieurs à la pression atmosphérique), la transition de phase du premier ordre se termine à un niveau de pression et de température appelé point critique de l’eau. «À ce stade, il n’y a plus de changement brusque de la densité des particules dû à la formation d’un seul état, appelé superfluide. Ce point critique s’appelle une transition de second ordre ou une transition d’ordre continu », rapporte-t-il. «Dans le système de spin quantique, la transition de phase du premier ordre se termine également à un point critique. La différence est que, contrairement à l’eau, il n’y a pas un seul état, mais des configurations et un ordre différents des spins. En effet, dans le monde quantique, d’une certaine manière, il existe de nombreuses possibilités pour les particules quantiques de se manifester, d’ordonner ou de se corréler. »
Pour comprendre comment la transition de phase se produit dans le système quantique, il était nécessaire de mesurer ses propriétés physiques au niveau quantique, en utilisant la technique de la chaleur spécifique, qui mesure la quantité d’énergie interne dans le système retenue sous forme de chaleur. «Nous avons pu pour la première fois mesurer une chaleur spécifique avec une grande précision dans un échantillon extrêmement petit et dans des conditions simultanées extrêmes: températures proches du zéro absolu, pressions élevées et champs magnétiques intenses», explique Larrea. «La chaleur spécifique de l’antiferromagnet frustré SrCu2 (BO3) 2, également connu sous le nom de SCBO, a été mesurée. Ce matériau a été choisi car il s’agit d’un système purement quantique, avec interaction entre spins, qui sont la représentation de la rotation électronique, généralement associée au magnétisme.
Des conditions extrêmes
Afin d’atteindre les conditions nécessaires à la mesure, un échantillon du SCBO est déposé sur un film, appelé film mince, et confiné dans un volume liquide, placé dans une cellule de pression. «Après application de la pression, cette cellule est assemblée en contact avec un système de refroidissement pour la dilution du mélange d’isotopes d’hélium, à l’intérieur d’un cryostat à hélium liquide, qui peut atteindre des températures très proches du zéro absolu, ce qui équivaut à 273 degrés Celsius négatifs», décrit le professeur. « Ce cryostat possède également une bobine qui permet d’appliquer le champ magnétique de grande intensité. » Les mesures de chaleur spécifique ont été réalisées dans le laboratoire du Professeur Henrik Ronnow, de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse.
Un défi majeur de l’expérience était de mesurer la chaleur spécifique du SCBO dans des conditions extrêmes simultanées, ce qui ne peut pas être fait avec des systèmes de mesure commerciaux. «Notre méthode consiste à apporter la mesure de chaleur spécifique de l’échantillon, à l’isoler du liquide et de la cellule de pression, en utilisant des techniques de calorimétrie avec application de chaleur en courant électrique alternatif», décrit le professeur au Journal de l’USP. «Dans un premier temps, nous avons installé le calorimètre à la surface de l’échantillon, placé sur le film par dépôt de résistances et de thermomètres en utilisant l’état de l’art du dépôt de couches minces et de la microélectronique, ce que nous appelons le« laboratoire sur la dalle »» .
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«Deuxièmement, nous avons réduit les perturbations causées par le bruit électronique de l’instrumentation et du laboratoire», explique Larrea. « Cela a permis d’envoyer de la chaleur sous forme alternée et modulée, comme s’il s’agissait d’une vague de chaleur se propageant dans l’échantillon, ainsi que la détection de petits signaux électroniques à très basse température en raison des effets quantiques de la chaleur spécifique. »
«Mesurer la chaleur spécifique du SCBO dans des conditions extrêmes simultanées était comme mesurer la chaleur d’un nageur à l’intérieur de quatre piscines olympiques, les mêmes qui sont compressées à des pressions 27 000 fois supérieures à la pression atmosphérique et des champs magnétiques 300 000 fois supérieurs au champ magnétique da Terra, envoyant un signal de chaleur au nageur de l’extérieur des piscines », compare le professeur. «Notre approche de la mesure de la chaleur spécifique avec un courant alternatif contribue à améliorer les méthodes de mesure des propriétés physiques dans des systèmes purement quantiques.»
La découverte des transitions de phase quantique offre une voie prometteuse pour la génération de matériaux fonctionnels dans les applications de la spintronique (électronique basée sur le spin) et de l’informatique quantique, dit Larrea. « Dans le cas de la spintronique, des états de spin purement situés dans différentes positions atomiques peuvent servir à transporter des informations quantiques à travers des spins sans dissiper d’énergie », souligne-t-il. «Pour le cas de l’informatique quantique, le matériau SCBO montre comment différents états de spin peuvent être formés à proximité de la transition de phase quantique et à des températures finies, fournissant une nouvelle voie pour la génération de qbits, l’unité d’information quantique, robuste au fini température, qui sont essentielles pour l’ingénierie des ordinateurs quantiques. »
L’étude est décrite dans article Un analogue magnétique quantique au point critique de l’eau, publié dans le magazine Nature le 14 avril. La recherche a eu la participation de Júlio Antonio Larrea Jiménez, de l’IF, HM Rønnow, F. Mila, E. Fogh et B. Normand, de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, PG Crone et P. Corboz, de Université d’Amsterdam, Pays-Bas, ME Zayed, Université Carnegie Mellon, Qatar, R. Lortz, Université des sciences et technologies de Hong Kong, Chine, E. Pomjakushina et K. Conder, Institut Paul Scherrer, Suisse, AM Läuchli, Universität Innsbruck, Innsbruck , Autriche, L. Weber, S. Wessel, Université RWTH Aachen, Allemagne, A.Honecker, CY Cergy Université de Paris, France, et Ch. Rüegg, Institut Paul Scherrer, ETH Zürich, Hönggerberg, Suisse et Université de Genève, Suisse.
Plus d’informations: e-mail larrea@if.usp.br, avec le professeur Júlio Larrea
