La localisation multi-particules dans les systèmes quantiques remise en question

Dans un état dit de localisation multi-particules, les particules initialement concentrées dans une partie du système devraient y rester indéfiniment. Un nouveau travail théorique suggère que ce n'est pas le cas, et que les particules se thermaliseront sur des échelles de temps très longues. L'équipe du projet (de haut en bas) : Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan et Prof. Dr. Michael Fleischhauer – tous de l'Université technique de Kaiserslautern – ainsi que Prof. Dr. Jeskao Sirker, Université du Manitoba. (Photo : TU Kaiserslautern)

Une équipe de physiciens théoriciens de la TU Kaiserslautern et de l'Université du Manitoba au Canada a montré, à l'aide de simulations numériques complexes sur l'ordinateur haute performance "Elwetritsch" : que les particules quantiques dans une phase exotique hors d'équilibre, appelée localisation multi-corps, ne sont en réalité pas stables sur de longues échelles de temps – contrairement aux théories initiales – et se thermaliseront. Les résultats de cette coopération de recherche ont été récemment publiés dans la revue spécialisée Physical Review Letters et décrits dans un article de synthèse dans la revue Physics.

Le monde des particules quantiques, situé au niveau subatomique, suit ses propres lois. C'est pourquoi il est difficile de décrire avec la physique classique les états dans lesquels ces particules se trouvent. Une question centrale, encore ouverte et largement discutée : le phénomène omniprésent de thermalisation dans le monde classique s'applique-t-il également sans restriction au monde quantique ? Plus précisément, la thermalisation désigne le processus par lequel un petit sous-système d'un système isolé, par échange d'énergie et de particules avec les autres parties, évolue vers un état décrit par quelques paramètres, conforme aux lois universelles de la thermodynamique.

Dans les années 1950, le prix Nobel Phillip Anderson a par exemple montré que des électrons non interactifs dans un matériau désordonné restent localisés, c'est-à-dire qu'ils restent confinés dans une petite région de l'espace pour toujours, au lieu de diffuser à travers tout le système. « Au début, on pensait que cet effet, connu sous le nom de localisation d'Anderson, serait détruit par les interactions, jusqu'à ce qu'un état exotique de la matière, appelé localisation multi-corps (many-body localization ou MBL), ait été découvert. Par analogie avec la localisation d'Anderson, on s'attend à ce qu'il n'y ait pas de diffusion de particules dans une phase MBL », explique le Prof. Dr. Michael Fleischhauer, qui mène des recherches en physique à la TU Kaiserslautern (TUK).

La description théorique de la dynamique à long terme de tels systèmes quantiques interactifs représente encore un grand défi pour les chercheurs – à ce jour, il n'existe pas de compréhension complète de la MBL. Aujourd'hui, une équipe de physiciens théoriciens de la TUK et de l'Université de Winnipeg, composée de Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan, Prof. Jesko Sirker et Prof. Fleischhauer, a remis en question l'image jusqu'ici acceptée de la MBL. Les simulations numériques menées par ces chercheurs suggèrent en effet que les particules d'un système quantique en MBL ne restent pas localisées, mais diffusent indéfiniment à travers tout le système.

« Pour le montrer, nous avons calculé numériquement ce que l'on appelle l'entropie de nombre de particules, c'est-à-dire la contribution à l'entropie ou, pour faire simple, l'incertitude du sous-système, qui résulte des fluctuations dans le nombre de particules en mouvement », explique le Prof. Fleischhauer. « Si le système était strictement localisé, les fluctuations du nombre de particules et donc l'entropie associée resteraient très rapidement à une valeur constante et faible. Au lieu de cela, nos simulations montrent que l'entropie de nombre de particules augmente indéfiniment, même si très lentement, proportionnellement à ln(ln(t)). » Ces résultats indiquent qu'il existe soit un mécanisme encore inconnu qui conduit à la localisation des systèmes uniquement sur des échelles de temps beaucoup plus longues, soit que la MBL n'existe pas dans le sens strict du terme.

Informations complémentaires sur les publications déjà parues :

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Preuve de la croissance illimitée de l'entropie de nombre dans les phases localisées multi-corps
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Les états localisés multi-corps tendent vers l'équilibre
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Questions répondues :

Prof. Dr. Michael Fleischhauer
Tél. : 0631 205-3206
E-mail : mfleisch@physik.uni-kl.de