Des chercheurs ont mis au point un circuit électronique capable de simuler la physique à N-corps attendue dans des systèmes quantiques à une dimension (1D), constitués de particules bosoniques ou fermioniques en interaction répulsive. Révélant les corrélations sous-jacentes, la présence d’une seule impureté induit chez les conducteurs à une dimension une transition vers un état isolant. En simulant cette transition, les chercheurs ont pu tester des aspects auparavant inaccessibles de la théorie fondamentale des systèmes quantiques à une dimension.
Les corrélations fortes entre de multiples particules donnent lieu à des états de la matière intrigants et à des comportements non conventionnels au potentiel immense. On pense que les transitions de phase quantiques à température nulle sont à la base d’un grand nombre de ces phénomènes. Cependant, la complexité des matériaux fortement corrélés du monde réel et le défi théorique posé même par des modèles simplifiés limitent notre compréhension microscopique. La réalisation de systèmes simples et bien caractérisés pour l'étude de la physique critique fortement corrélée et quantique est donc particulièrement désirable. Dans les systèmes à une dimension, l’augmentation des effets d’interactions aboutiet à des phases paradigmatiques d’une matière fortement corrélée décrite par le concept de «liquide de Tomonaga-Luttinger». Cependant, la transition de phase quantique métal-isolant induite même par une unique impureté en rend difficile l'exploration expérimentale. De plus, cette signature caractéristique des liquides de Tomonaga-Luttinger échappe encore à un traitement théorique complet.
Une équipe de chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Sud – Université Paris Diderot) et du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Université Paris Diderot) ont étudié de manière approfondie la physique collective à une dimension, et la transition de phase quantique métal-isolant qui en résulte, au moyen d'une simulation quantique avec un circuit nano-fabriqué. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review X, et ils ont fait l’objet d’un article ViewPoint* sur le site web “Physics” de l’American Physical Society.
Leurs mesures révèlent les lois universelles de renormalisation vers un état isolant. Elles établissent une relation quantitative avec les paramètres du circuit et explorent le régime hors équilibre. Avec le simulateur quantique du nano-circuit d’abord établi par l'accord précis obtenu avec les prédictions théoriques, jusqu’à présent non testées ainsi que de nouvelles prédictions, ils ont ensuite réalisé une simulation quantique au sens fort en élucidant des régimes théoriquement non résolus. La simulation quantique peut fournir une solution de contournement puissante aux difficultés théoriques et expérimentales, comme le montre un circuit quantique implémentant un analogue au liquide Tomonaga-Luttinger avec des interactions électroniques et une impureté ajustables.
Leur approche ouvre la voie à l’investigation approfondie de diverses facettes de la physique corrélée et jette un éclairage nouveau sur la modification des propriétés de transport des composants quantiques lors de leur intégration dans un circuit. Il constitue également un point d’étape vers une simulation quantique de régimes inaccessibles aux méthodes théoriques.
* Viewpoint: Circuit Simulates One-Dimensional Quantum System, Emanuele Dalla Torre and Eran Sela (September 19, 2018) - Physics 11, 94
Référence :
Circuit Quantum Simulation of a Tomonaga-Luttinger Liquid with an Impurity,
A. Anthore, Z. Iftikhar, E. Boulat, F. D. Parmentier, A. Cavanna, A. Ouerghi, U. Gennser et F. Pierre
Physical Review X - 8, 031075 (Septembre 2018)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031075
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud/ Université Paris Diderot)
- Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Université Paris Diderot)
Contact :
- Frédéric Pierre, directeur de recherche CNRS au C2N
- Anne Anthore, maître de conférences de l’Université Paris Diderot au C2N
Figure : Trois systèmes physiques peuvent présenter la même transition de phase quantique entre un métal et l'isolant que l'on s’attend à produire dans un système 1D de particules quantiques, appelé liquide de Tomonaga-Luttinger (TLL), en présence d’une impureté. Les systèmes sont: deux supraconducteurs séparés par une couche résistive mince (en haut à gauche); un réseau d'électrons 1D en présence d'une impureté (en haut à droite); et un dispositif électronique de taille micrométrique constitué de nanocanaux connectés à un point quantique central (en bas). Ici les chercheurs ont utilisé ce dernier comme simulateur quantique, ce qui leur permet d'étudier les caractéristiques de la transition de phase TLL qui n’ont pas pu être déterminées dans les deux autres systèmes. (APS/Alan Stonebraker)
