5 phases de localisation quantique observées au sein d’un même système quantique

Une avancée majeure dans la compréhension des milieux quantiques

Des physiciens basés en Chine ont franchi une étape significative en observant cinq phases distinctes de la physique de la localisation au sein d’un même système quantique. Cette prouesse technologique, rapportée par le journaliste Sam Jarman dans un article publié par Phys.org, repousse les limites de la compréhension actuelle de la dynamique des ondes. Les travaux ont été menés par une équipe de la Southern University of Science and Technology de Shenzhen, sous la direction des chercheurs Yucheng Wang et Jingyun Fan.

Les origines de ce champ d’étude remontent à 1958, avec la découverte fondamentale du physicien américain Philip Anderson. Ce dernier avait démontré que les milieux désordonnés sont nettement plus efficaces pour piéger les ondes que les structures en réseau parfaitement ordonnées. Ce phénomène, décrit mathématiquement par les spécialistes sous le nom de « phases de localisation », constitue la pierre angulaire de la compréhension moderne de la matière condensée et de la physique ondulatoire.

Les résultats de cette nouvelle recherche, publiés dans la prestigieuse revue Physical Review Letters, suggèrent que la physique de la localisation est beaucoup plus riche et complexe que les physiciens ne l’avaient initialement anticipé. L’exploitation d’une plateforme photonique de pointe a permis de matérialiser des concepts théoriques jusqu’alors inaccessibles en laboratoire.

L’émergence d’une troisième phase théorique

Jusqu’à une période récente, la théorie scientifique distinguait principalement deux phases de localisation bien spécifiques. La première se caractérise par des états dits « étendus », qui soutiennent et facilitent le transport des ondes à travers le milieu. La seconde phase est quant à elle associée à des états « localisés », qui ont pour effet de supprimer ce transport ondulatoire.

De récents travaux théoriques ont bouleversé cette dichotomie en mettant en évidence l’existence d’une troisième phase distincte. Baptisée « phase critique », celle-ci se situe en dehors des schémas classiques et intrigue les physiciens par son comportement atypique face aux ondes lumineuses ou quantiques.

Yucheng Wang précise les caractéristiques de cette nouveauté théorique : « Ces états présentent des structures spatiales fractales et des propriétés de transport anormales, donnant naissance à de nouvelles phases de localisation au-delà du paradigme traditionnel. Cependant, la réalisation expérimentale d’états critiques, en particulier ceux coexistant avec d’autres types d’états, est restée un défi de taille. »

La conception d’une plateforme photonique de Floquet

Pour relever le défi de l’observation directe de cette phase critique et de ses éventuelles coexistences, l’équipe de Yucheng Wang et Jingyun Fan a dû concevoir un dispositif inédit. Ils se sont appuyés sur les principes de la physique de Floquet, une branche qui étudie les systèmes pilotés par une force périodique. L’interaction entre ce rythme d’entraînement et le comportement intrinsèque du système engendre de nouvelles propriétés effectives.

Le dispositif expérimental mis au point consiste en une plateforme photonique programmable de Floquet. Concrètement, une impulsion laser est amenée à circuler entre différents sites à l’intérieur d’une boucle optique fermée. Cette configuration permet de simuler un réseau synthétique hautement contrôlable.

Chaque trajet aller-retour de la lumière dans cette boucle exécute une séquence précise de trois opérations distinctes : des rotations de spin dépendantes du site, des sauts entre des sites voisins les plus proches, et l’application de potentiels d’énergie sur site. Cette manipulation séquentielle scrupuleuse est au cœur du succès de l’expérience.

Le suivi précis de la dynamique lumineuse

Afin de mesurer l’évolution du système, l’installation expérimentale prélevait et détectait une petite quantité de lumière à l’issue de chaque aller-retour. Cette méthode non destructive fournissait aux chercheurs un instantané fidèle de la distribution spatio-temporelle de l’impulsion à travers le réseau synthétique créé par la boucle optique.

En observant l’évolution de cette distribution au fil du temps, les physiciens pouvaient analyser le comportement de la lumière. Ils cherchaient à déterminer si elle se propageait de manière balistique, si elle restait confinée à son site initial, ou si elle manifestait une dynamique oscillatoire. Ces trois comportements correspondent respectivement à la présence d’états étendus, localisés ou critiques.

Les chercheurs ont pu basculer entre les différentes phases en ajustant deux commandes indépendantes régissant le poids relatif des modulations quasi-périodiques dans les amplitudes de saut et les potentiels sur site. Jingyun Fan détaille cette avancée : « Cette capacité permet de réaliser et d’étudier une riche hiérarchie de phases de localisation au sein d’un seul système expérimental. »

L’observation inédite de cinq états distincts

Grâce à cette ingénierie de précision, les scientifiques ont pu observer directement la phase critique pure, confirmant ainsi les prédictions théoriques antérieures. L’expérience a démontré sans ambiguïté la distinction dynamique de cette troisième phase par rapport aux états étendus et localisés. Le dispositif a révélé l’existence de deux phases coexistantes au sein du même système : une phase mixte étendue-localisée et une phase mixte localisée-critique, produisant des modèles d’évolution uniques.

L’identification expérimentale claire de ces cinq phases confirme l’extrême richesse de la physique de la localisation. Jingyun Fan souligne la portée de cette expérience : « À notre connaissance, il s’agit de la réalisation la plus complète de phases de localisation réalisée à ce jour au sein d’un seul système quantique contrôlable. »

Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale et appliquée. Comme l’ajoute Jingyun Fan : « Plus largement, la plateforme fournit un cadre polyvalent pour explorer les phases critiques multifractales, la physique des seuils de mobilité et un large spectre de phénomènes de localisation et de transport dans un environnement hautement contrôlable. »

Selon la source : phys.org