Une nouvelle phase de la matière censée être comprise uniquement avec la physique quantique peut être étudiée avec des méthodes classiques beaucoup plus simples. Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé la modélisation informatique pour étudier de nouvelles phases potentielles de la matière connues sous le nom de cristaux de temps thermiquement pré-discrets (DTC).
On pense que les propriétés des cristaux préthermiques à temps discret dépendent de la physique quantique : les lois étranges qui régissent les particules à l’échelle subatomique. Cependant, les chercheurs ont découvert que des méthodes plus simples, basées sur la physique classique, pouvaient être utilisées pour comprendre ces phénomènes mystérieux.
“Nous pensions que les cristaux de temps étaient fondamentalement des phénomènes quantiques, mais il s’avère que des méthodes classiques plus simples nous permettent d’en apprendre davantage à leur sujet.” -André Pizzi
Comprendre ces nouvelles phases de la matière est une étape vers le contrôle des systèmes complexes à plusieurs corps, un objectif de longue date avec diverses applications potentielles telles que la simulation de réseaux quantiques complexes. Les résultats sont rapportés dans deux articles conjoints dans Physical Review Letters et Physical Review B.
Lorsque nous découvrons quelque chose de nouveau, qu’il s’agisse d’une planète, d’un animal ou d’une maladie, nous pouvons en apprendre davantage en y regardant de plus en plus près. Essayez d’abord des théories plus simples, et si elles ne fonctionnent pas, essayez des théories ou des méthodes plus complexes.
“C’est ce que nous pensons être le cas avec le DTC pré-thermique”, a déclaré Andrea Pizzi, doctorante au laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge et auteur principal des deux articles. “Nous pensions qu’il s’agissait fondamentalement de phénomènes quantiques, mais il s’avère que des méthodes classiques plus simples nous en ont appris davantage à leur sujet.”
Les DTC sont des systèmes physiques très complexes et il reste encore beaucoup à apprendre sur leurs propriétés inhabituelles. Tout comme la façon dont un cristal spatial standard rompt la symétrie de traduction spatiale parce que sa structure est différente partout dans l’espace, les DTC brisent la symétrie de traduction temporelle unique car lorsqu’ils sont périodiquement “oscillants”, leur structure change à chaque fois qu’elle est “poussée”.
“Vous pouvez y voir des parents poussant des enfants sur une balançoire dans la cour de récréation”, explique Pizzi. “Généralement, le parent pousse l’enfant, l’enfant se balance en arrière et le parent les pousse à nouveau. En physique, c’est un système assez simple. Mais s’il y a plusieurs balançoires sur le même terrain de jeu, si les enfants se tiennent par la main , alors le système va devenir plus complexe, et il peut y avoir des comportements plus intéressants, moins évidents. L’échauffement DTC est l’un de ces comportements, où les atomes agissent un peu comme une balançoire, Par exemple, il revient toutes les secondes ou trois pousser.”
Prédit pour la première fois en 2012, le DTC a ouvert un nouveau champ de recherche et a fait l’objet d’investigations de différents types, y compris expérimentales. Parmi ceux-ci, les DTC de préchauffage sont des systèmes relativement simples à mettre en œuvre, ils ne chauffent pas aussi rapidement que prévu, mais présentent plutôt un comportement de cristallisation dans le temps sur de longues périodes : plus ils sont secoués rapidement, plus ils survivent longtemps. Cependant, on pense qu’ils reposent sur des phénomènes quantiques.
“Le développement de la théorie quantique est complexe, et même si vous pouvez le faire, vos capacités de simulation sont généralement très limitées car la puissance de calcul requise est incroyablement grande”, a déclaré Pizzi.
Maintenant, Pizzi et ses co-auteurs ont découvert que, pour les DTC pré-thermiques, ils peuvent éviter l’approche quantique trop compliquée et utiliser à la place l’approche classique plus pratique. De cette façon, les chercheurs peuvent simuler ces phénomènes de manière plus complète. Par exemple, ils peuvent désormais simuler des composants plus fondamentaux pour obtenir des scénarios les plus pertinents pour l’expérience, tels que la 2D ou la 3D.
À l’aide de simulations informatiques, les chercheurs ont étudié de nombreux spins en interaction – comme un enfant sur une balançoire – sous l’influence d’un champ magnétique périodique – comme un parent propulsant une balançoire – en utilisant la dynamique hamiltonienne classique. La dynamique résultante montre les propriétés des DTC préthermiques de manière nette et claire : sur une longue période de temps, l’aimantation du système oscille avec une période supérieure à la force motrice.
“C’est incroyable à quel point cette méthode est propre”, a déclaré Pizzi. “Parce que cela nous permet de regarder des systèmes plus grands, cela rend très clair ce qui se passe. Contrairement aux méthodes quantiques, nous n’avons pas à traiter avec ce système pour l’étudier. Nous espérons que cette recherche établira la dynamique hamiltonienne classique comme Une méthode appropriée pour la simulation à grande échelle de systèmes complexes à plusieurs corps et ouvre de nouvelles voies dans l’étude des phénomènes de non-équilibre, dont le pré-DTC thermique n’est qu’un exemple.”
