Votre bureau est composé d’atomes individuels et distincts, mais de loin sa surface semble lisse. Cette idée simple est au cœur de tous nos modèles du monde physique. Nous pouvons décrire ce qui se passe globalement sans nous enliser dans les interactions compliquées entre chaque atome et électron.
Ainsi, lorsqu’un nouvel état théorique de la matière a été découvert dont les caractéristiques microscopiques persistent obstinément à toutes les échelles, de nombreux physiciens ont refusé de croire à son existence.
“Quand j’ai entendu parler des fractons pour la première fois, j’ai dit qu’il n’y avait aucune chance que cela soit vrai, car cela défie complètement mes préjugés sur le comportement des systèmes”, a déclaré Nathan Seiberg, physicien théoricien à l’Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey. “Mais je me trompais. J’ai réalisé que j’avais vécu dans le déni.
La possibilité théorique des fractons a surpris les physiciens en 2011. Récemment, ces états étranges de la matière ont conduit les physiciens vers de nouveaux cadres théoriques qui pourraient les aider à s’attaquer à certains des problèmes les plus épineux de la physique fondamentale.
Les fractions sont des quasi-particules, des entités semblables à des particules qui émergent d’interactions complexes entre de nombreuses particules élémentaires à l’intérieur d’un matériau. Mais les fractons sont bizarres même comparés à d’autres quasi-particules exotiques, car ils sont totalement immobiles ou ne peuvent se déplacer que de manière limitée. Il n’y a rien dans leur environnement qui empêche les fractons de se déplacer ; c’est plutôt une propriété inhérente à eux. Cela signifie que la structure microscopique des fractons influence leur comportement sur de longues distances.
« C’est totalement choquant. Pour moi, c’est la phase la plus étrange de la matière », a déclaré Xie Chen, théoricien de la matière condensée au California Institute of Technology.
Particules partielles
En 2011, Jeongwan Haah, alors étudiant diplômé à Caltech, recherchait des phases inhabituelles de la matière si stables qu’elles pourraient être utilisées pour sécuriser la mémoire quantique, même à température ambiante. À l’aide d’un algorithme informatique, il a mis au point une nouvelle phase théorique qui a été appelée le code Haah. La phase a rapidement attiré l’attention d’autres physiciens en raison des quasi-particules étrangement immobiles qui la composent.
Ils semblaient, individuellement, comme de simples fractions de particules, uniquement capables de se déplacer en combinaison. Bientôt, des phases plus théoriques ont été trouvées avec des caractéristiques similaires, et c’est ainsi qu’en 2015, Haah, avec Sagar Vijay et Liang Fu, a inventé le terme « fractons » pour les étranges quasiparticules partielles. (Un article précédent et négligé de Claudio Chamon est maintenant crédité de la découverte originale du comportement des fractons.)
Pour voir ce qu’il y a de si exceptionnel dans les phases de fractons, considérons une particule plus typique, comme un électron, se déplaçant librement à travers un matériau. La façon étrange mais habituelle de certains physiciens de comprendre ce mouvement est que l’électron se déplace parce que l’espace est rempli de paires électron-positon entrant et sortant momentanément de l’existence. Une telle paire apparaît de sorte que le positron (l’antiparticule de charge opposée de l’électron) se trouve au-dessus de l’électron d’origine, et ils s’annihilent. Cela laisse derrière l’électron de la paire, déplacé de l’électron d’origine. Comme il n’y a aucun moyen de distinguer les deux électrons, tout ce que nous percevons est un seul électron en mouvement.
Maintenant, imaginez plutôt que des paires de particules et d’antiparticules ne peuvent pas surgir du vide mais seulement des carrés d’entre elles. Dans ce cas, un carré peut apparaître de sorte qu’une antiparticule se trouve au-dessus de la particule d’origine, annihilant ce coin. Un deuxième carré sort alors du vide de sorte qu’un de ses côtés s’annihile avec un côté du premier carré. Cela laisse derrière le côté opposé du deuxième carré, également constitué d’une particule et d’une antiparticule. Le mouvement résultant est celui d’une paire particule-antiparticule se déplaçant latéralement en ligne droite. Dans ce monde – un exemple de phase fracton – le mouvement d’une seule particule est limité, mais une paire peut se déplacer facilement.
Le code Haah pousse le phénomène à l’extrême : les particules ne peuvent se déplacer que lorsque de nouvelles particules sont invoquées dans des motifs répétés sans fin appelés fractales. Supposons que vous ayez quatre particules disposées dans un carré, mais lorsque vous effectuez un zoom avant sur chaque coin, vous trouvez un autre carré de quatre particules proches les unes des autres. Zoomez à nouveau sur un coin et vous trouvez un autre carré, et ainsi de suite. Pour qu’une telle structure se matérialise dans le vide, il faut tellement d’énergie qu’il est impossible de déplacer ce type de fracton. Cela permet de stocker des qubits très stables – les bits de l’informatique quantique – dans le système, car l’environnement ne peut pas perturber l’état délicat des qubits.
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