Du désordre à l'ordre : Oiseaux en vol et particules "tournantes

Les physiciens étudient depuis longtemps la manière dont l'énergie et le mouvement apparaissent dans les matériaux lorsque les composants interagissent d'une nouvelle manière. Aujourd'hui, leurs recherches explorent une frontière encore plus étrange : comment l'énergie et l'ordre peuvent spontanément émerger à l'échelle quantique à partir d'interactions hors équilibre. Dans une nouvelle étude, des chercheurs japonais ont mis au jour un phénomène qu'ils appellent "matière active quantique" et ont constaté qu'il présente une sorte de comportement de troupeau purement déterminé par la mécanique quantique et la dynamique non hermitienne. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Research, révèlent comment une version quantique du flocage peut émerger sans aucune interaction d'alignement explicite, repoussant ainsi les limites de notre compréhension du comportement émergent aux plus petites échelles.

Comme son homologue classique appelé "matière active", la matière active quantique est constituée de nombreuses parties en interaction qui consomment et dissipent individuellement de l'énergie. Mais contrairement aux systèmes classiques, la matière active quantique se comporte selon les règles étranges de la mécanique quantique plutôt que selon celles de la mécanique newtonienne classique. "Dans la matière active classique, les particules se propulsent d'elles-mêmes, comme des oiseaux qui se rassemblent", explique le chercheur principal, Kazuaki Takasan, de l'université de Tokyo. Dans notre système quantique, les "particules" sont en fait des bits quantiques qui peuvent occuper plusieurs états simultanément. Et leur mouvement n'est pas régi par des trajectoires classiques, mais par la dynamique complexe des fonctions d'onde quantiques".

Les chercheurs précédents avaient introduit le concept de matière active quantique de manière théorique et montré comment des phénomènes classiques tels que la séparation de phase induite par la motilité pouvaient se manifester à l'échelle quantique. Mais Takasan et ses collaborateurs Kyosuke Adachi et Kyogo Kawaguchi voulaient observer directement des comportements émergents purement motivés par une dynamique quantique de non-équilibre, sans analogie avec un système classique. "Nous voulions explorer de nouveaux états étranges de la matière qui n'ont pas d'équivalent classique", explique M. Takasan.

L'équipe a élaboré un modèle théorique de "spins quantiques" unidimensionnels - des bits quantiques qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas - se déplaçant en ligne et interagissant les uns avec les autres. Ils ont introduit deux ingrédients clés qui ne sont pas présents dans les systèmes de matière active classiques : l'effet tunnel quantique entre les états de spin et le saut asymétrique, dépendant du spin, entre les sites sous l'effet de la dissipation. "La dissipation est généralement considérée comme quelque chose qui détruit les effets quantiques", note Adachi. "Mais ici, nous l'utilisons de manière constructive pour induire de nouveaux comportements émergents.

En simulant la dynamique quantique de cette "chaîne de spins active" sur un ordinateur, les chercheurs ont observé une transition spontanée vers une nouvelle phase étrange de la matière. Même sans interaction d'alignement explicite entre les spins, le système a spontanément développé un ordre ferromagnétique à longue portée - tous les spins pointent dans la même direction sur l'ensemble de la chaîne. "Nous avons été surpris de voir la chaîne s'assembler par le seul jeu de l'effet tunnel quantique, des interactions et de la dissipation", explique M. Kawaguchi.

Pour comprendre le mécanisme, l'équipe a prouvé que la dissipation augmente toujours l'énergie des états quantiques où les spins pointent au hasard, tout en laissant inchangé l'état d'alignement ferromagnétique. Ils ont également résolu le cas simplifié de deux spins en interaction et ont découvert que la dissipation incite les spins à se lier étroitement pour former une sorte d'état quantique lié. "Dans la phase paramagnétique où les spins pointent au hasard, la dissipation favorise la configuration de l'état lié, conduisant le système vers l'ordre ferromagnétique", explique M. Takasan.

Les chercheurs ont développé une théorie simple du champ moyen qui tient compte de l'avantage énergétique de l'état lié à deux spins. Cette théorie capture qualitativement la même transition de phase ferromagnétique que celle observée dans les simulations complètes. "Notre théorie du champ moyen montre que l'émergence de l'ordre à longue portée découle finalement des états liés à courte portée induits localement par la dissipation", explique Adachi. Leur travail fournit quelques-unes des premières indications sur la manière dont les fluctuations, les corrélations et le comportement collectif peuvent émerger spontanément à partir de la seule dynamique quantique de non-équilibre.

Le phénomène de "flocage quantique" découvert ici dépasse les limites des transitions de phase quantiques conventionnelles car il est dû à la nature complexe et non hermitienne de la dynamique du système. En tant que tel, il peut se conformer à de nouveaux types de comportement critique non décrits par les points critiques quantiques ordinaires. L'équipe espère maintenant simuler des systèmes plus importants à l'aide de techniques de réseaux tensoriels afin de déterminer si la transition reste continue dans la limite thermodynamique et comment les exposants critiques peuvent différer des modèles standard.

"Il a d'abord été surprenant de constater que l'ordre pouvait apparaître sans interactions élaborées entre les agents du modèle quantique. C'était différent de ce que l'on attendait sur la base des modèles biophysiques"

Kazuaki Takasan

Les chercheurs notent également que leurs travaux ouvrent la voie à des réalisations possibles dans des simulateurs quantiques programmables utilisant des gaz atomiques froids. Les gaz quantiques à deux composants et le saut dépendant du spin ont tous deux été réalisés expérimentalement. "Notre théorie montre comment le flocage quantique pourrait en principe être observable en utilisant la dissipation intégrée dans un potentiel de réseau optique", explique M. Takasan. D'une manière plus générale, il note que leurs résultats démontrent comment un contrôle fin des fluctuations hors équilibre à l'échelle quantique pourrait permettre l'auto-assemblage dirigé de structures complexes, offrant ainsi la possibilité de réaliser de nouveaux matériaux quantiques actifs dotés de fonctions émergentes.

Alors que la simulation quantique et l'intelligence artificielle accélèrent les découvertes dans le domaine de l'ultra-petit, les scientifiques continuent de s'enfoncer dans des territoires inexplorés où se croisent des phénomènes quantiques, hors équilibre et collectifs. Les travaux de Takasan, Adachi et Kawaguchi montrent comment un ordre macroscopique étrange peut s'auto-organiser même au sein de systèmes quantiques idéalisés grâce à l'interaction des fluctuations quantiques et des processus de non-équilibre. Leur découverte du flocage quantique suggère un vaste paysage inexploré où la synchronie, le flocage et d'autres comportements collectifs peuvent émerger spontanément de la dynamique bruyante de nombreux composants quantiques. À mesure que l'ingénierie quantique progresse, ces phénomènes pourraient un jour inspirer la conception de nouvelles technologies quantiques dotées de fonctionnalités émergentes issues de fluctuations coopératives à des échelles infimes.

Référence(s)

1. Kazuaki Takasan, Kyosuke Adachi, Kyogo Kawaguchi. Ferromagnétisme induit par l'activité dans les systèmes quantiques à corps multiples unidimensionnels. Physical Review Research, 2024 ; 6 (2) DOI : 10.1103/PhysRevResearch.6.023096

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