Une percée historique au cœur de l’infiniment petit
Dans le domaine de la physique de la matière condensée, une équipe de chercheurs de l’Université de Nankin et d’autres institutions partenaires a franchi une étape historique. Pour la première fois, des preuves expérimentales directes révèlent l’existence de gravitons chiraux de haute énergie au sein de systèmes de Hall quantiques fractionnaires. Cette observation résout un mystère qui échappait aux physiciens depuis des décennies.
Les électrons, qui possèdent une charge négative, coordonnent parfois leurs mouvements de manière à produire des excitations collectives spécifiques appelées quasi-particules. Ce phénomène se manifeste notamment lors de l’effet Hall quantique, qui survient lorsque des électrons sont confinés dans une couche bidimensionnelle extrêmement fine, refroidis à des températures proches du zéro absolu (0 kelvin) et soumis à un champ magnétique d’une intensité exceptionnelle.
La théorie des partons mise à l’épreuve expérimentale
Pour expliquer ces mouvements collectifs complexes, les théoriciens s’appuient sur un modèle théorique appelé la théorie des partons. Ce cadre postule l’existence de partons émergents, des quasi-particules semblables à des quarks au sein de la physique de la matière condensée, qu’il ne faut pas confondre avec les quarks et les gluons de la physique des hautes énergies. Selon un rapport de Phys.org, ces entités théoriques permettent de décoder les états de Hall quantique fractionnaire (HQF).
Récemment, de nouveaux modèles géométriques ont suggéré que de petites fluctuations de la métrique quantique d’un système, qui décrit la structure géométrique d’un état quantique, génèrent des excitations collectives de spin-2. Ces excitations sont appelées gravitons chiraux. Dès 2024, les scientifiques se sont mis en quête d’observer ces insaisissables signatures géométriques.
L’observation inédite d’un graviton de haute énergie
La nouvelle étude de l’équipe, publiée dans Nature Physics, rapporte la détection simultanée de plusieurs types de gravitons chiraux. Les chercheurs ont ainsi mis en évidence un graviton dans une gamme de basse énergie, mais également un second graviton situé dans une gamme de haute énergie. Cette découverte ouvre une méthode inédite pour explorer les partons dissimulés dans la matière quantique fractionnée.
Le chercheur principal de l’étude, Lingjie Du, a détaillé cette avancée auprès de Phys.org : « Dans les états de Hall quantique fractionnaire (HQF) autour du demi-remplissage, nous n’avons observé qu’un seul type de mode de graviton chiral, désormais appelé graviton de basse énergie. »
« Plus tard, autour du quart de remplissage, à des facteurs de remplissage tels que v = 2/7 et 2/9, nous avons observé un graviton de haute énergie en plus de celui de basse énergie. Cette découverte est importante. Notre travail expérimental précédent en 2024 indiquait que l’énergie du graviton est proportionnelle à la charge fractionnaire associée à un état HQF. Par conséquent, l’observation de deux modes de gravitons au sein d’un seul état HQF indique la présence de deux charges fractionnaires distinctes, ce qui peut être naturellement compris dans le cadre de la théorie des partons de l’effet HQF. »
Une prouesse technique à des températures extrêmes
Pour capturer ces signaux d’une extrême subtilité, l’équipe a dû mettre en œuvre un protocole expérimental d’une grande complexité technique. Les expériences ont été menées sur des gaz d’électrons bidimensionnels au sein de puits quantiques uniques. Pour provoquer l’apparition de l’effet HQF, l’environnement a été refroidi à une température ultra-basse d’environ 50 millikelvins (mK) et exposé à des champs magnétiques colossaux atteignant jusqu’à 14 teslas.
Les chercheurs ont utilisé une méthode avancée appelée la diffusion de lumière inélastique résonante polarisée circulairement. Cette technologie de pointe permet d’analyser le spin et l’énergie des excitations internes d’un matériau avec une précision inégalée, révélant ainsi les signatures des gravitons de haute énergie.
Comme l’explique Lingjie Du : « Les partons dont nous parlons ici sont des quasi-particules de type quark dotées d’une charge fractionnaire, distinctes des anyons, qui peuvent également porter une charge fractionnaire mais obéissent à des statistiques anyoniques. Les fluctuations de la métrique quantique peuvent donner lieu à une excitation géométrique à grande longueur d’onde de spin-2 associée à des partons de haute énergie, à savoir le graviton de haute énergie. Dans notre nouvelle étude, nous avons utilisé une méthode appelée diffusion de lumière inélastique résonante polarisée circulairement à des températures ultra-basses (environ 50 mK) et dans des champs magnétiques intenses (jusqu’à 14 teslas) pour sonder le spin et l’énergie du mode de graviton dans la gamme de haute énergie, ce qui nous a permis de détecter le graviton de haute énergie. »
La confirmation de la réalité physique des partons
Avant ces travaux de recherche, l’existence des partons restait largement cantonnée au domaine des concepts purement mathématiques. En apportant des preuves spectroscopiques indiscutables, cette étude montre que ces objets théoriques possèdent une dynamique géométrique réelle et bien physique au sein de la matière corrélée.
Ces résultats valident de façon définitive les prédictions des théories géométriques appliquées à l’effet de Hall quantique fractionnaire. Lingjie Du confirme l’impact de ces mesures : « L’observation de multiples gravitons, en particulier le graviton de haute énergie, est importante pour valider la théorie géométrique de l’effet HQF. Cela fournit également des preuves expérimentales que les partons HQF sont de véritables quasi-particules dans la matière fortement corrélée et apporte une preuve attendue depuis longtemps à la théorie des partons de l’effet HQF. »
De nouvelles perspectives pour l’informatique quantique
Cette percée scientifique ouvre des perspectives majeures pour la compréhension globale de la physique quantique et le développement de nouveaux matériaux. À l’avenir, cette méthodologie de mesure des gravitons pourrait s’étendre à d’autres phases exotiques de la matière, notamment les ordres topologiques excitoniques et les isolants de Chern fractionnaires, permettant ainsi de cartographier individuellement les propriétés des partons.
Selon les déclarations de Lingjie Du : « Nos expériences offrent une voie pour résoudre les partons individuels et leurs phases de Hall quantique fractionnaire grâce à des mesures de gravitons, ce qui pourrait être étendu à une large gamme de phases exotiques de la matière, y compris les ordres topologiques excitoniques et les isolants de Chern fractionnaires. »
Le chercheur anticipe déjà les prochaines étapes de l’exploration scientifique : « Il y a de nombreuses directions intéressantes à explorer. Par exemple, alors que les modes de graviton que nous avons détectés sont des modes de spin-2 chiraux, des modes de spin supérieur, qui pourraient offrir une connexion possible avec la physique des cordes non relativistes, pourraient être détectés en utilisant des photons porteurs d’un moment angulaire orbital. Une instabilité supraconductrice découlant de l’appariement de partons neutres pourrait donner naissance à un état de Moore-Read non abélien, qui pourrait potentiellement être identifié par la détection de modes de graviton et est essentiel pour le calcul quantique topologique. »
Selon la source : phys.org
Des preuves de l’existence d’insaisissables gravitons de haute énergie dans des systèmes à effet Hall quantique
