Une étude, dont les résultats intitulés «Topological quantum phase transition in the Ising-like antiferromagnetic spin chain BaCo₂V₂O₈» ont été publiés dans la revue Nature Physics, a permis de découvrir dans le composé BACOVO, un matériau quantique unidimensionnel, une nouvelle transition de phase (*) topologique , non pas gouvernée par un seul, mais par deux types d'excitations topologiques. De plus, il a été possible de contrôler la transition en sélectionnant, grâce à un champ magnétique, lequel des types va dominer l'autre.

Ce travail s'appuie «sur les travaux du Prix Nobel de physique 2016, décerné aux physiciens David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, qui prédisent qu’un jeu d’excitations topologiques dans un matériau quantique» est susceptible d’induire une transition de phase topologique (qui fait agir collectivement l'ensemble des particules) (**). Il apporte ainsi «la première confirmation expérimentale de la théorie de l’existence de deux jeux simultanés d’excitations topologiques et de leur compétition» dans «un seul et même matériau» en l'occurrence le BACOVO (BaCo2V2O8) «un matériau anti-ferromagnétique unidimensionnel aux propriétés particulières».

Le but de la recherche a été de trouver pourquoi le BACOVO, qui est «un oxyde caractérisé par sa structure en hélice», était l'objet d'une transition de phase «mystérieuse» en cherchant «comment fonctionnent les propriétés quantiques de BACOVO, notamment ses excitations topologiques». L'analyse de ces propriétés a été réalisée en utilisant la diffusion des neutrons: un faisceau de neutrons étant envoyé sur le matériau, il permet d'appliquer la stratégie «perturber pour révéler», car «les neutrons se comportent comme des petits aimants qui interagissent avec ceux de BACOVO».

L'expérience a conduit à «une découverte que les scientifiques n’avaient pas anticipée», puisqu'une fois placé dans un champ magnétique, «BACOVO développe un deuxième jeu d’excitations topologiques qui est en compétition avec le premier, confirmant des théories des années 70-80 construites grâce au domaine ouvert par les travaux des nobélisés».

De la sorte, «en plus de prouver l’existence de cette confrontation de deux jeux d’excitations topologiques au sein d’un même matériau» («du jamais vu»), il a été, en fin de compte, possible «de contrôler expérimentalement quel jeu domine l’autre».

En conséquence, cette étude ouvre «tout un champ de possibles dans la recherche de la physique quantique» car ce genre de découvertes nous rapproche «d’applications des propriétés quantiques des matériaux, et pourquoi pas de l’ordinateur quantique».

Liens externes complémentaires (sources Wikipedia)

(*) Transition de phase

(**) Transition Berezinsky Kosterlitz Thouless