• Physique: les propriétés quantiques exotiques des anyons, particules intermédiaires entre les fermions et les bosons, ont été mises en évidence!____¤202004

     

    Une étude, dont les résultats intitulés «Fractional statistics in anyon collisions» ont été publiés dans la revue Science, a permis de mettre en évidence les propriétés quantiques exotiques des anyons, particules intermédiaires entre les fermions et les bosons.

     

    Rappelons tout d'abord que «dans notre monde tridimensionnel, la mécanique quantique qui décrit le monde microscopique n’autorise l’existence que de deux types de particules: les fermions et les bosons»: par exemple, l’électron, qui assure le transport du courant électrique, est une particule élémentaire de la famille des fermions, tandis que le photon, particule élémentaire associée à la propagation de la lumière, appartient à la famille des bosons.

     

    Les comportements collectif des fermions et des bosons sont complètement différents, puisque «les premiers tendent à se repousser ou à s’exclure» («une faculté qui permet d’expliquer des phénomènes aussi variés que la structure électronique des atomes, la stabilité des étoiles à neutrons ou bien la différence entre les métaux, conducteurs du courant électrique, et les isolants», tandis que les bosons «ont tendance à se regrouper permettant ainsi d’expliquer certaines propriétés de la lumière ou encore les phénomènes de superfluidité ou de supraconductivité, tous deux liés à la condensation d’un grand nombre de bosons dans un même état».

     

    La situation est bien différente dans un univers bidimensionnel «où d’autres types de quasiparticules exotiques, différentes des fermions et des bosons, peuvent exister». Ces quasiparticules «apparaissent dans certains types de conducteurs électriques bidimensionnels dans lesquels les électrons interagissent très fortement entre eux», de sorte que les mouvements collectifs des électrons peuvent être «décrits par le déplacement de nouveaux objets élémentaires, les anyons» qui «peuvent former de petits paquets de particules s’excluant mutuellement»

     

    Bien que l’existence des anyons et de leurs propriété quantiques, «intermédiaires entre celles des fermions et les bosons», a été prédite il y a quarante ans, la nature fondamentalement différente de ces anyons était jusqu’ici restée inaccessible. Néanmoins, «certaines de leurs propriétés exotiques avaient pu être observées par les nombreux travaux théoriques et expérimentaux qui leur ont été consacrés». En particulier, «leur charge électrique fractionnaire, c’est à dire égale à une fraction de la charge élémentaire d’un électron» a été dévoilée en 1997.

     

    Dans ce contexte, «pour sonder les propriétés quantiques des anyons», l'étude ici présentée est revenue «au cœur des différences de comportement entrainées par la statistique quantique», en utilisant «un collisionneur au sein d’une puce électronique fabriquée par des physiciens du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (CNRS/Université Paris‐Saclay)», la puce en question permettant «de réaliser, dans un conducteur électrique bidimensionnel, des collisions entre anyons».

     

    Soulignons ici que les collisionneurs «sont les instruments de choix pour caractériser les effets de statistique quantique», puisqu'en observant les résultats d’une collision entre deux particules, il est possible «de quantifier la tendance des quasiparticules à se regrouper ou à s’exclure». De ce fait, «pour conclure définitivement à l’existence des anyons, ces quasiparticules ni vraiment fermions ni vraiment bosons», des conditions particulières d’expérience, «susceptibles de préserver les propriétés quantiques des anyons», ont été mises en place.

     

    Concrètement, «tout s’est joué» dans «un conducteur microscopique dont le diamètre est comparable à celui d’un cheveu et à des températures ultra basses, plus de dix mille fois inférieures à la température ambiante». Au bout du compte, «une tendance des anyons à se regrouper en paquets de particules, un comportement complètement différent de celui des électrons qui leur ont donné naissance et qui correspond au comportement quantique attendu pour des anyons» a pu être caractérisée.

     

    Ainsi, «en élargissant le spectre des particules connues dans les systèmes bidimensionnels», cette étude ouvre de nouvelles perspectives «pour la physique fondamentale et pour les scientifiques qui peuvent désormais manipuler des objets élémentaires aux propriétés nouvelles»: par exemple, certaines propriétés «semblent très prometteuses pour la recherche en calcul quantique topologique» si nécessaire pour avancer vers un ordinateur quantique du futur «dont les opérations de calcul seraient basées sur les échanges de positions d’anyons».

     


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