06 october 2017 | La Revue POLYTECHNIQUE

Première observation d’une anomalie quantique en physique des solides

Une équipe internationale composée de physiciens, de spécialistes en science des matériaux et de spécialistes de la théorie des cordes a observé sur Terre un phénomène que l’on croyait n’exister qu’au début de l’Univers ou dans les étoiles à neutrons et les trous noirs. Ce résultat est susceptible de conduire à un modèle de l’Univers fondé davantage sur des observations factuelles.

Grâce à l’utilisation du semimétal de Weyl, un matériau récemment découvert et similaire au graphène, des scientifiques d’IBM ont pu simuler un champ gravitationnel dans leur échantillon de test, en appliquant un gradient de température et un champ magnétique. Le semimétal a été synthétisé à l’Institut Leibniz de recherche sur les états solides et les matériaux de Dresde (IFW) et à l’Institut Max-Planck de physique et chimie des solides à Dresde, en Allemagne.

Le Prof. Karl Landsteiner, un théoricien de l’Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC et co-auteur de l’article, explique l’anomalie gravitationnelle à l’aide de ce dessin. (Credit: IBM Research)

Un effet de mécanique quantique qui viole les lois de conservation classiques

Après avoir réalisé l’expérience et effectué des mesures dans un laboratoire équipé d’un cryostat à l’Université de Hambourg, une équipe de théoriciens de TU Dresden, UC Berkeley et de l’Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC à Madrid a confirmé, par modèles mathématiques, avoir observé un effet de mécanique quantique connu sous le nom d’anomalie gravitationnelle axiale, qui viole les lois de conservation de la charge, de l’énergie et de la quantité de mouvement.

Un raisonnement reposant sur la théorie des cordes

Cette anomalie avait précédemment été déduite d’un raisonnement purement théorique, à l’aide de méthodes reposant sur la théorie des cordes. On pensait qu’elle ne pouvait exister qu’à des températures extrêmement élevées, de l’ordre de mille milliards de degrés, comme une forme rare de matière appelée plasma de quarks et de gluons, née aux commencements de l’Univers dans les profondeurs du cosmos, ou créée à l’aide d’un collisionneur de particules. Mais les auteurs furent surpris de découvrir qu’elle existait également sur Terre dans les domaines de la physique des solides, sur lesquels se basent la plus grande partie de l’industrie informatique, depuis les petits transistors jusqu’aux centres de données en nuage.

Une équipe internationale de scientifiques a vérifié dans un cristal, une anomalie quantique que l’on croyait n’exister qu’au début de l’Univers ou dans les étoiles à neutrons et les trous noirs. (Credit: Robert Strasser, Kees Scherer; collage: Michael Büker)

Vers le développement de nouveaux dispositifs électroniques

Cette découverte pourrait faire avancer notre compréhension de l’Univers et permettre d’améliorer les processus de conversion de l’énergie dans les dispositifs électroniques. Les scientifiques d’IBM prédisent que cette découverte provoquera une ruée vers le développement de nouveaux dispositifs, en particulier autour des capteurs, des interrupteurs et de la conversion d’énergie.

«Pour la première fois, nous avons observé de façon expérimentale cette anomalie quantique fondamentale sur Terre, ce qui est extrêmement important pour notre compréhension de l’Univers», a déclaré Johannes Gooth, un scientifique d’IBM Research et principal auteur du document publié dans la revue scientifique à comité de lecture Nature.. «Nous pouvons maintenant construire des dispositifs à semi-conducteurs basés sur cette anomalie, pour créer de nouveaux dispositifs qui n’ont jamais été considérés auparavant et pour contourner potentiellement certains des problèmes inhérents aux dispositifs électroniques classiques, comme les transistors», ajoute-t-il «C’est une découverte exaltante. Nous pouvons clairement conclure que la même rupture de symétrie peut être observée dans tout système physique, que ce soit dès le début de l’Univers ou aujourd’hui, ici même sur Terre», a déclaré le professeur Karl Landsteiner, expert de la théorie des cordes à l’Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC et co-auteur du document.

Bibliographie

Ce travail a été soutenu par la bourse de recherche DFG-RSF (NI616 22/1): Contribution des états topologiques aux propriétés thermoélectriques des semimétaux de Weyl et SFB 1143, ainsi que par l’association Helmholtz
via VI-521 et le DFG (Programme Emmy-Noether) via la bourse ME 4844/1. Les bourses supplémentaires comprennent: SEV-2012-0249 et FPA2015-65480-P.

Experimental signatures of the mixed axial-gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP, Johannes Gooth, Anna C. Niemann, Tobias Meng, Adolfo G. Grushin, Karl Landsteiner, Bernd Gotsmann, Fabian Menges, Marcus Schmidt, Chandra Shekhar, Vicky Süß, Ruben Hühne, Bernd Rellinghaus, Claudia Felser, Binghai Yan, Kornelius Nielsch, DOI: 10.1038/nature23005

Twitter @IBMResearch et #axialanomaly.

https://www.zurich.ibm.com/