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UN ATTERRISSAGE PARFAIT
Je suis venu à la physique un peu sur le tard.
Quand j’étais enfant, je m’intéressais davantage aux
échecs et aux mathématiques. Mais j’ai grandi en
Russie, où les Olympiades internationales de physique
ont beaucoup d’importance, et à la fin de l’école
secondaire j’avais trouvé ma voie. Je travaille maintenant
en physique de la matière condensée. J’étudie en
général des systèmes mésoscopiques – qui se situent
entre l’échelle atomique et l’échelle humaine, c’est-à-dire
dont la taille va de quelques dizaines de nanomètres à
quelques micromètres. Je m’intéresse particulièrement
aux systèmes qui comportent un grand nombre de
particules tout en étant le siège de phénomènes
quantiques que l’on croit réservés à des particules isolées.
Un matériau que j’ai beaucoup étudié s’appelle le
graphène. Matériau purement bidimensionnel, le graphène
est une pellicule d’atomes de carbone ayant une structure
en nid d’abeilles, mais avec une épaisseur d’un seul atome.
L’intérêt de ce matériau est qu’il possède de nombreuses
propriétés quantiques exotiques. Par exemple, dans le
graphène, les électrons se comportent de manière quasi
relativiste, davantage comme des neutrinos que comme
des électrons. Lorsque j’ai commencé à étudier le graphène,
peu après sa découverte en 2004, il n’y avait que quelques
articles sur le sujet. Il y en a maintenant environ 20 000, dont
certains écrits par deux lauréats de prix Nobel.
Les lois et principes nouveaux que nous pouvons tirer de
matériaux comme le graphène seront indispensables pour la
mise au point de nouvelles technologies, par exemple celle des
ordinateurs quantiques. Les réponses que j’essaie de trouver
sur la nature quantique des interactions entre particules – en
particulier à haute température et avec beaucoup de désordre –
permettront de résoudre des problèmes pratiques.
L’Institut Périmètre est un lieu vraiment exceptionnel pour faire
ces recherches. Ici, les gens font ce qui les intéresse, et non ce
qui est à la mode, et ils ont la passion de pousser leurs idées
dans des directions nouvelles et audacieuses. Je suis peut-être
venu à la physique sur le tard, mais j’ai l’impression d’avoir atterri
exactement au bon endroit.
– Dmitry Abanin
Dmitry Abanin est devenu professeur à l’Institut Périmètre en 2013.
LES NOUVELLES LOIS DE LA
DYNAMIQUE QUANTIQUE
Les physiciens ne savent pas grand-chose sur la manière dont les grands systèmes
quantiques évoluent dans le temps. Jusqu’à maintenant, ils n’avaient pas besoin
de le savoir.
Les systèmes quantiques sont plutôt petits que grands. Lorsqu’il y a beaucoup
d’atomes, les effets quantiques ont tendance à rapidement disparaître.
Techniquement, ils se dissipent dans l’environnement. Le système a alors une
allure classique et peut être décrit par les lois de la mécanique statistique.
Mais cela a récemment changé. Il est maintenant possible de créer et d’étudier
des systèmes quantiques artificiels à N corps – c’est-à-dire des systèmes
comportant un grand nombre d’atomes, isolés de l’environnement, et au sein
desquels les effets quantiques persistent dans le temps.
Les chercheurs ont appris, en observant ces systèmes, que ceux-ci n’obéissent
pas aux lois conventionnelles de la mécanique statistique, qui régissent
d’habitude les systèmes comportant un grand nombre de variables. Il est
devenu évident que, dans de tels cas, la physique avait besoin d’une théorie
de la dynamique quantique pour remplacer la mécanique statistique.
Dmitry
Abanin, professeur à l’Institut Périmètre
,
a élaboré une telle théorie.
M. Abanin a travaillé avec Maksym Serbyn (étudiant diplômé à l’Institut de
technologie du Massachusetts et scientifique invité à l’Institut Périmètre) et
Zlatko Papic (maintenant postdoctorant à l’Institut Périmètre), afin de non
seulement décrire la dynamique d’un système quantique particulier, mais de
définir des lois générales de la dynamique quantique, qui puissent s’appliquer
à n’importe quel système quantique expérimental à N corps. On s’attend à
ce que ces lois soient largement utilisées, alors que des chercheurs créeront
et étudieront davantage de systèmes de ce type.
Ces lois sont très différentes de celles de la mécanique statistique, mais
elles sont aussi d’une surprenante simplicité. Elles sont intimement liées à
des questions concernant l’information quantique, la mécanique statistique
et la matière condensée.
Un résultat immédiat est contraire à l’intuition. Nous avons l’habitude de
penser que les systèmes quantiques doivent être froids, purs et isolés,
mais les nouvelles lois montrent que leur caractère quantique peut
bénéficier du désordre. L’introduction de désordre dans un système
quantique à N corps peut en réalité en augmenter la durée de cohérence
– c’est-à-dire le temps pendant lequel les effets quantiques persistent
avant de disparaître. Des résultats comme celui-ci seront probablement
cruciaux, alors que les scientifiques travaillent à la conception de la
première génération de matériaux quantiques, qui seront utilisés dans
des appareils de traitement de l’information quantique.
Références :
X. CHEN (Université de la Californie à Berkeley et Institut de technologie du Massachusetts – MIT), Z.
GU (Institut de technologie de la Californie), Z. LIU (Université de Tsinghua et MIT) et X. WEN (Institut
Périmètre, MIT et Université de Tsinghua), « Symmetry protected topological orders in interacting
bosonic systems », Science, vol. 338, 2012, no 6114, p. 1604.
M. SERBYN (MIT), Z. PAPIC (Université de Princeton) et D.A. ABANIN (Institut Périmètre et Institut
d’informatique quantique de l’Université de Waterloo). « Universal Slow Growth of Entanglement in
Interacting Strongly Disordered Systems »,
Physical Review Letters
, vol. 110, 2013, article 260601.
M. SERBYN (MIT), Z. PAPIC (Université de Princeton) et D.A. ABANIN (Institut Périmètre et Institut
d’informatique quantique de l’Université de Waterloo). « Local Conservation Laws and the Structure
of the Many-Body Localized States »,
Physical Review Letters
, vol. 111, 2013, article 127201.