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Découverte d’un nouvel état quantique de la matière

Crédits : Hsieh Lab/Caltech

Des physiciens de l’Institut d’information et de matière quantique de Caltech ont découvert le premier cristal liquide quantique tridimensionnel, de quoi potentiellement révolutionner les futurs ordinateurs quantiques.

« Nous avons détecté l’existence d’un état de matière fondamentalement nouveau », explique David Hsieh, chercheur à Caltech et principal auteur de ces recherches dont les résultats sont publiés dans le numéro du 21 avril de la revue Science. « Il existe de nombreuses classes de tels cristaux liquides quantiques qui peuvent, en principe, exister donc notre découverte n’est probablement que la pointe de l’iceberg ».

Des cristaux liquides peuvent être trouvés dans la nature comme dans les membranes cellulaires biologiques. Alternativement, ils peuvent être fabriqués artificiellement. On les retrouve notamment dans les écrans à cristaux liquides couramment utilisés dans les montres, les smartphones ou autres téléviseurs dernière génération. Un cristal liquide est en fait un état de la matière qui combine des propriétés d’un liquide conventionnel et celles d’un solide cristallisé. Les molécules sont orientées les unes par rapport aux autres, rappelant ainsi une propriété caractéristique des solides cristallins, mais circulent librement.

Dans un cristal liquide « quantique » bidimensionnel (c’est-à-dire confiné sur un seul plan à l’intérieur du matériau hôte — un métal à base d’arséniure de gallium artificiellement développé), les électrons se comportent comme les molécules dans les cristaux liquides classiques. C’est-à-dire que les électrons se déplacent librement, mais ont une direction d’écoulement préférée. Le premier cristal liquide quantique fut découvert en 1999 par Jim Eisenstein. Cette fois-ci, les chercheurs soulignent donc un état quantique tridimensionnel, rendant ainsi l’orientation des électrons et leurs propriétés encore plus étranges avec notamment des propriétés magnétiques différentes selon qu’ils circulent vers l’avant ou vers l’arrière sur un axe donné. En d’autres termes, cela signifie que l’électrification de ces matériaux les modifie en aimants ou modifie la force ou l’orientation de leur magnétisme.

Pourquoi la découverte d’un tel matériau est-elle importante ? Les cristaux liquides quantiques en trois dimensions pourraient permettre une topologique plus fiable des supraconducteurs à température ambiante. L’un des problèmes les plus complexes pour résoudre le calcul quantique est en effet que les interactions quantiques de matériaux sont très fragiles et très faciles à détruire. La découverte de cette nouvelle classe de matériaux quantiques pourrait permettre de favoriser le design et la création de puces informatiques plus efficaces en aidant les informaticiens à exploiter la direction de rotation des électrons. Concernant les ordinateurs quantiques, ce nouvel état de la matière pourrait également nous permettre des calculs à des vitesses beaucoup plus élevées grâce à la nature quantique des particules.

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