Votre bureau est composé d’atomes individuels et distincts, mais de loin sa surface semble lisse Cette idée simple est au cœur de tous nos modèles du monde physique Nous pouvons décrire ce qui se passe globalement sans nous enliser dans les interactions compliquées entre chaque atome et électron

So, lorsqu’un nouvel état théorique de la matière a été découvert dont les caractéristiques microscopiques persistent obstinément à toutes les échelles, de nombreux physiciens ont refusé de croire à son existence

Histoire originale réimprimée avec la permission de Quanta Magazine, une publication éditoriale indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension du public de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie

Lorsque j’ai entendu parler des fractons pour la première fois, j’ai dit que cela ne pouvait pas être vrai, car cela défie complètement mes préjugés sur le comportement des systèmes”, a déclaré Nathan Seiberg, physicien théoricien à l’Institute for Advanced Study de Princeton, New York JerseyMais je me trompais J’ai réalisé que j’avais vécu dans le déni

La possibilité théorique des fractons a surpris les physiciens en 2011 Recently, ces états étranges de la matière ont conduit les physiciens vers de nouveaux cadres théoriques qui pourraient les aider à résoudre certains des problèmes les plus épineux de la physique fondamentale.

Les fractions sont des quasi-particules, des entités semblables à des particules qui émergent d’interactions complexes entre de nombreuses particules élémentaires à l’intérieur d’un matériau Mais les fractons sont bizarres même comparés à d’autres quasi-particules exotiques, car ils sont totalement immobiles ou ne peuvent se déplacer que de manière limitée. Il n’y a rien dans leur environnement qui empêche les fractons de bouger; c’est plutôt une propriété inhérente à eux Cela signifie que la structure microscopique des fractons influence leur comportement sur de longues distances

C’est totalement choquant Pour moi, c’est la phase la plus étrange de la matière », a déclaré Xie Chen, théoricien de la matière condensée au California Institute of Technology.

In 2011, Jeongwan Haah, alors étudiant diplômé à Caltech, recherchait des phases inhabituelles de la matière si stables qu’elles pourraient être utilisées pour sécuriser la mémoire quantique, même à température ambiante À l’aide d’un algorithme informatique, il a mis au point une nouvelle phase théorique qui a été appelée le code Haah La phase a rapidement attiré l’attention d’autres physiciens en raison des quasi-particules étrangement immobiles qui la composent

Ils semblaient, individually, comme de simples fractions de particules, uniquement capables de se déplacer en combinaison Bientôt, des phases plus théoriques ont été trouvées avec des caractéristiques similaires, et c’est ainsi qu’en 2015, Haah, avec Sagar Vijay et Liang Fu, a inventé le terme « fractons » pour les étranges quasiparticules partielles. (Un précédent article négligé de Claudio Chamon est maintenant crédité de la découverte originale du comportement des fractons)

Pour voir ce qu’il y a de si exceptionnel dans les phases de fracton, pensez à une particule plus typique, comme un électron, se déplaçant librement à travers un matériau La façon étrange mais habituelle de certains physiciens de comprendre ce mouvement est que l’électron se déplace parce que l’espace est rempli de paires électron-positon qui entrent et sortent momentanément de l’existence. Une telle paire apparaît de sorte que le positron (l’antiparticule de charge opposée de l’électron) se trouve au-dessus de l’électron d’origine, et ils s’annihilent Cela laisse l’électron de la paire, déplacé de l’électron d’origine Comme il n’y a aucun moyen de distinguer les deux électrons, tout ce que nous percevons est un seul électron en mouvement

Instead of that, imaginez que des paires de particules et d’antiparticules ne peuvent pas provenir du vide, mais seulement des carrés d’entre elles Dans ce cas, un carré peut apparaître de sorte qu’une antiparticule se trouve au-dessus de la particule d’origine, annihilant ce coin Un deuxième carré sort alors du vide de sorte qu’un de ses côtés s’annihile avec un côté du premier carré Cela laisse derrière le côté opposé du deuxième carré, également constitué d’une particule et d’une antiparticule Le mouvement résultant est celui d’une paire particule-antiparticule se déplaçant latéralement en ligne droite Dans ce mondeun exemple de phase fractonle mouvement d’une seule particule est limité, mais une paire peut se déplacer facilement

Le code Haah pousse le phénomène à l’extrême: les particules ne peuvent se déplacer que lorsque de nouvelles particules sont invoquées dans des motifs répétés sans fin appelés fractales Supposons que vous ayez quatre particules disposées dans un carré, mais lorsque vous effectuez un zoom avant sur chaque coin, vous trouvez un autre carré de quatre particules proches les unes des autres. Zoomez à nouveau sur un coin et vous trouvez un autre carré, et ainsi de suite Pour qu’une telle structure se matérialise dans le vide, il faut tellement d’énergie qu’il est impossible de déplacer ce type de fracton Cela permet de stocker des qubits très stablesles bits de l’informatique quantiquedans le système, car l’environnement ne peut pas perturber l’état délicat des qubits

L’immobilité des fractons rend très difficile de les décrire comme un continuum lisse de loin Parce que les particules peuvent généralement se déplacer librement, si vous attendez assez longtemps, elles se bousculent dans un état d’équilibre, défini par des propriétés en vrac telles que la température ou la pression. Les emplacements initiaux des particules cessent d’avoir de l’importance Mais les fractons sont bloqués à des points spécifiques ou ne peuvent se déplacer qu’en combinaison le long de certaines lignes ou plans Décrire ce mouvement nécessite de garder une trace des emplacements distincts des fractons, et ainsi les phases ne peuvent pas secouer leur caractère microscopique ou se soumettre à la description habituelle du continuum

Leur comportement microscopique résolu rend « un défi d’imaginer des exemples de fractons et de réfléchir profondément à ce qui est possible», a déclaré Vijay, théoricien à l’UC Santa Barbara. « Sans une description continue, comment définissons-nous ces états de la matière? »

Il nous manque une grande partie des choses”, Chen said “Nous n’avons aucune idée de comment les décrire et ce qu’ils signifient

Les fractions n’ont pas encore été fabriquées en laboratoire, mais cela va probablement changer Certains cristaux avec des défauts immobiles se sont avérés être mathématiquement similaires aux fractons Et le paysage théorique du fracton s’est déployé au-delà de ce que tout le monde avait prévu, avec de nouveaux modèles apparaissant chaque mois

Probablement dans un avenir proche, quelqu’un prendra l’une de ces propositions et dira: « OK, faisons une expérience héroïque avec des atomes froids et réalisons exactement l’un de ces modèles de fractons», a déclaré Brian Skinner, un physicien de la matière condensée. à l’Ohio State University qui a conçu des modèles de fracton

Même sans leur réalisation expérimentale, la simple possibilité théorique des fractons a sonné l’alarme pour Seiberg, un expert de premier plan en théorie quantique des champs, le cadre théorique dans lequel presque tous les phénomènes physiques sont actuellement décrits

La théorie quantique des champs décrit les particules discrètes comme des excitations dans des champs continus qui s’étendent à travers l’espace et le temps C’est la théorie physique la plus réussie jamais découverte, et elle englobe le modèle standard de la physique des particules, l’équation d’une précision impressionnante régissant toutes les particules élémentaires connues.

Les fractions ne rentrent pas dans ce cadre Je pense donc que le cadre est incomplet », a déclaré Seiberg

Il y a d’autres bonnes raisons de penser que la théorie quantique des champs est incomplète – Firstly, elle ne tient pas compte jusqu’à présent de la force de gravité S’ils peuvent comprendre comment décrire les fractons dans le cadre de la théorie quantique des champs, Seiberg et d’autres théoriciens prévoient de nouveaux indices vers une théorie de la gravité quantique viable.

La discrétion des fractions est potentiellement dangereuse, car elle peut ruiner toute la structure que nous avons déjà”, a déclaré SeibergMais soit tu dis que c’est un problème, soit tu dis que c’est une opportunité

Lui et ses collègues développent de nouvelles théories quantiques des champs qui tentent d’englober l’étrangeté des fractons en permettant un comportement discret au-dessus d’un socle d’espace-temps continu

« La théorie quantique des champs est une structure très délicate, nous aimerions donc changer les règles le moins possible», did he declare « Nous marchons sur de la glace très mince, en espérant passer de l’autre côté

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Quantique, Matière, Fracton, Quasiparticule

News – FR – Fractions, the strangest matter, could provide quantum clues
Associated title :
Fractons, the Weirdest Matter, could Yield Indices quantiques
Fractals, the strangest matter, can produce quantum clues

Source: https://www.wired.com/story/fractons-the-weirdest-matter-could-yield-quantum-clues/

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