Résoudre des énigmes physiques avec des points colorés

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Dans le cas du magnétisme cinétique, un électron en excès apparié à un doublet peut conduire à un alignement parallèle ou ferromagnétique (à droite), tandis qu’un électron ou un trou manquant peut conduire à un alignement antiferromagnétique des spins dans son environnement (à gauche). (Illustration : Morera, I. et al. High-temperature kinetic magnetism in triangular lattices. Phys. Rev. Res. 5, L022048 2023)
Des chercheurs de l’ETH Zurich ont étudié un type particulier de magnétisme en analysant des images de points colorés générées par des simulateurs quantiques. Grâce à cette méthode, ils pourraient à l’avenir résoudre d’autres énigmes physiques, par exemple dans le domaine de la supraconductivité.

De près, il s’agit simplement de nombreux points colorés, mais à une certaine distance, on voit une image complexe et riche en détails : en utilisant la technique du pointillisme, George Seurat a créé en 1886 le chef-d’œuvre "Un dimanche après-midi sur l’île de la Grande Jatte". De la même manière, Eugene Demler et ses collaborateurs de l’ETH Zurich étudient des systèmes quantiques complexes composés de nombreuses particules en interaction. Les points colorés ne sont pas créés par des coups de pinceau, mais par la visualisation d’atomes individuels en laboratoire.

En collaboration avec des collègues de Harvard et de Princeton, le groupe de Demler a maintenant examiné de près un type particulier de magnétisme à l’aide de la nouvelle méthode qu’ils appellent "pointillisme quantique". Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans deux articles de la revue scientifique Nature.

Un changement de paradigme dans la compréhension

"Ces recherches représentent un changement de paradigme dans notre compréhension de tels phénomènes magnétiques quantiques. Jusqu’à présent, nous ne pouvions pas les étudier en détail", explique Demler. Tout a commencé il y a environ deux ans à l’EPFZ. Le groupe de travail d’Ataç Imamoglu a étudié expérimentalement des matériaux spéciaux avec un réseau cristallin triangulaire (matériaux moirés de dichalcogénures de métaux de transition). Lors de l’analyse des données d’Imamoglu, Demler et son post-doctorant Ivan Morera ont découvert des particularités qui indiquaient un type de magnétisme prédit jusqu’alors uniquement de manière théorique. "Dans ce magnétisme cinétique, quelques électrons se déplaçant dans le réseau cristallin peuvent magnétiser le matériau", explique Morera.

Dans l’expérience d’Imamoglu, cet effet, que les spécialistes connaissent sous le nom de mécanisme de Nagaoka, a pu être mis en évidence pour la première fois dans un corps solide, notamment grâce à des mesures de la susceptibilité magnétique - c’est-à-dire la force avec laquelle le matériau réagit à un champ magnétique extérieur. "Cette démonstration reposait sur des indices très forts. Pour une preuve directe, il faudrait toutefois examiner simultanément l’état des électrons - leur position et leur direction de spin - à plusieurs endroits du matériau", explique Demler.

Des processus complexes rendus visibles

Dans un corps solide, cela n’est toutefois pas possible avec les méthodes traditionnelles. A l’aide de la diffraction des rayons X ou des neutrons, les chercheurs peuvent tout au plus découvrir comment les spins des électrons se comportent les uns par rapport aux autres à deux endroits - ce que l’on appelle la corrélation de spin. En revanche, ils ne peuvent pas mesurer les corrélations entre des arrangements de spin complexes et un électron en excès ou manquant.

Pour rendre tout de même visibles les processus complexes du mécanisme de Nagaoka, que Demler et Morera avaient calculés à l’aide d’un modèle, ils se sont tournés vers leurs collègues de Harvard et de Princeton. Là-bas, des équipes dirigées par Markus Greiner et Waseem Bakr ont développé des simulateurs quantiques qui permettent de reproduire avec précision les conditions qui règnent dans un corps solide. Au lieu d’utiliser des électrons qui se déplacent dans un réseau d’atomes, les chercheurs américains utilisent dans ces simulateurs des atomes extrêmement refroidis qui sont pris dans un réseau optique de rayons lumineux. Les équations mathématiques qui décrivent les électrons dans le corps solide et les atomes dans le réseau lumineux sont toutefois presque identiques.

Instantanés colorés du système quantique

A l’aide d’un microscope à fort grossissement, les groupes de travail de Greiner et Bakr ont pu résoudre non seulement les positions des différents atomes, mais aussi l’orientation de leurs spins. Ils ont traduit les informations de ces instantanés du système quantique en graphiques colorés qui pouvaient être comparés aux images théoriques du pointillisme. Demler et ses collaborateurs avaient par exemple calculé théoriquement comment, dans le mécanisme de Nagaoka, un seul électron excédentaire qui s’accouple avec un autre électron de spin opposé se déplace comme un doublon à travers le réseau cristallin triangulaire du matériau. Selon la prédiction de Demler et Morera, le doublon devrait être entouré d’un nuage d’électrons aux spins parallèles, c’est-à-dire orientés de manière ferromagnétique. Ce nuage est également appelé polaron magnétique.

C’est exactement ce que les chercheurs américains ont vu dans leurs expériences. Et plus encore : s’il manquait un atome dans la grille de lumière du simulateur quantique - ce qui correspond à un électron ou à un "trou" manquant dans le cristal réel - un nuage d’atomes aux spins orientés par paires de manière opposée se formait autour de ce trou. C’est exactement ce que Demler et Morera avaient prédit. Cet ordre antiferromagnétique (ou plus exactement ces corrélations antiferromagnétiques) avait déjà été indirectement démontré lors d’une expérience à l’état solide à l’université Cornell aux États-Unis. Il est désormais directement visible dans le simulateur quantique.

"Pour la première fois, nous avons ainsi résolu une énigme physique en réalisant des expériences à la fois sur le corps solide ’réel’ et dans le simulateur quantique. Nos travaux théoriques sont la colle qui tient le tout ensemble", explique Demler. Il est persuadé que sa méthode sera également utile à l’avenir pour résoudre d’autres problèmes épineux. Par exemple, le mécanisme par lequel se forme le nuage magnétique de polarons pourrait également jouer un rôle important dans les supraconducteurs à haute température.

Référence bibliographique

Martin Lebrat, Muqing Xu, Lev Haldar Kendrick, Anant Kale, Youqi Gang, Pranav Seetharaman, Ivan Morera, Ehsan Khatami, Eugene Demler, Markus Greiner. Observation des polarons de Nagaoka dans un simulateur quantique de Fermi-Hubbard. Nature, 9 mai 2024, DOI : page externe 10.1038/s41586’024 -07272-9 call_made

Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan, Waseem S. Bakr. Imagerie directe des polarons de spin dans un système Hubbard cinétiquement frustré. Nature, 9 mai 2024, DOI : page externe 10.1038/s41586’024 -07356-6 call_made
Oliver Morsch