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Les physiciens découvrent des preuves d'une nouvelle propriété de la matière quantique

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Les chercheurs ont peut-être découvert une propriété jamais découverte de la matière quantique. Une équipe de l'Institute for Quantum Matter de l'Université Johns Hopkins a prouvé que certains matériaux quantiques peuvent démontrer des fluctuations dipolaires électriques.

Ces mouvements uniques sont des oscillations irrégulières de minuscules pôles chargés sur le matériau. Les chercheurs ont noté que ces oscillations se produisent à des températures extrêmement froides - environ moins 450 degrés Fahrenheit ou moins.

Ce mouvement particulier a longtemps été théorisé mais pourtant prouvé jusqu'à présent. Le matériau en question a été créé il y a plus de deux décennies et s'appelle k- (BEDT-TTF) 2Hg (SCN) 2 Br. Le matériau provient de composés organiques; cependant, il se comporte beaucoup comme un métal.

«Ce que nous avons découvert avec ce matériau quantique particulier, c'est que, même à des températures extrêmement froides, les dipôles électriques sont toujours présents et fluctuent selon les lois de la mécanique quantique», a déclaré la physicienne Natalia Drichko. Drichko est professeur de recherche agrégé en physique à l'Université Johns Hopkins.

Drichko a expliqué pourquoi cette découverte particulière était importante.

«Habituellement, nous considérons la mécanique quantique comme une théorie des petites choses, comme les atomes, mais ici nous observons que tout le cristal se comporte de manière quantique», a déclaré Drichko, auteur principal d'un article sur la recherche publié dans la revueScience.

La physique traditionnelle et la compréhension du mouvement moléculaire notent que lorsque les objets gèlent, leur mouvement moléculaire ralentit au point de s'arrêter. Cependant, en physique quantique, le mouvement reste même aux températures les plus froides, a expliqué Drichko. «C'est l'une des différences majeures entre la physique classique et la physique quantique que les physiciens de la matière condensée explorent», a-t-elle déclaré.

Les dipôles électriques sont des pôles de charge égale mais opposés séparés par une distance. Il existe trois types de dipôles dans les études moléculaires. Premièrement, il existe des dipôles permanents qui sont deux atomes dans une molécule avec une électronégativité très différente.

Dans un dipôle permanent, un atome attirera les électrons plus qu'un autre, ce qui rendra l'un nettement plus négatif et l'autre plus positif. (On les appelle aussi molécules polaires.) Le deuxième type de dipôle est des dipôles instantanés qui se produisent par hasard lorsque les électrons sont plus concentrés dans une zone d'une molécule.

Cela crée un dipôle temporaire. Le dernier type est les dipôles induits qui se produisent lorsqu'une molécule repousse les électrons d'une autre et déclenche un moment dipolaire dans cette molécule. Les dipôles étudiés par les physiciens sont les mêmes types qui peuvent permettre aux cheveux d'adhérer temporairement à un peigne via l'électricité statique. Des dipôles se forment sur le bord d'un peigne et attirent les cheveux.

L'équipe de Drichko a utilisé le laboratoire de spectroscopie Raman afin d'obtenir la matière quantique aux basses températures nécessaires pour observer l'activité théorisée. Les principaux travaux du laboratoire ont été menés par l'étudiante diplômée Nora Hassan.

Dans le laboratoire, Hassan et ses collègues chercheurs ont focalisé la lumière sur un cristal du matériau. Les équipes ont exploité d'autres techniques trouvées à la fois en chimie et en biologie pour étudier ces fluctuations dipolaires.

L'équipe Johns Hopkins a également construit un spectromètre personnalisé, une machine 100 fois plus puissante que les spectromètres de laboratoire traditionnels. La recherche pourrait être utilisée dans le développement de systèmes informatiques quantiques et dans le développement de systèmes quantiques qui pourraient fonctionner efficacement même à des températures extrêmes.


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