Des scientifiques observent pour la première fois des « quasiparticules » dans des systèmes classiques

Depuis l’émergence de la mécanique quantique, le monde de la physique s’est divisé entre la physique classique et la physique quantique. La physique classique traite des mouvements des objets que nous voyons généralement tous les jours dans le monde macroscopique, tandis que la physique quantique explique les comportements exotiques des particules élémentaires dans le monde microscopique.

De nombreux solides ou liquides sont composés de particules interagissant les unes avec les autres à des distances proches, ce qui entraîne parfois la montée de « quasiparticules ». Les quasiparticules sont des excitations à longue durée de vie qui se comportent efficacement comme des particules à faible interaction. L’idée de quasi-particules a été introduite par le physicien soviétique Lev Landau en 1941 et depuis lors, elle a été très fructueuse dans la recherche sur la matière quantique. Quelques exemples de quasi-particules incluent les quasi-particules de Bogoliubov (c’est-à-dire les “paires de Cooper brisées”) dans la supraconductivité, les excitons dans les semi-conducteurs et les phonons.

L’examen des phénomènes collectifs émergents en termes de quasiparticules a permis de mieux comprendre une grande variété de paramètres physiques, notamment dans la supraconductivité et la superfluidité, et récemment dans le célèbre exemple des quasiparticules de Dirac dans le graphène. Mais jusqu’à présent, l’observation et l’utilisation des quasi-particules ont été limitées à la physique quantique: dans la matière condensée classique, le taux de collision est généralement beaucoup trop élevé pour permettre des excitations de type particule de longue durée.

Cependant, l’opinion standard selon laquelle les quasiparticules sont exclusives à la matière quantique a récemment été contestée par un groupe de chercheurs du Centre pour la matière molle et vivante (CSLM) de l’Institut des sciences fondamentales (IBS), en Corée du Sud. Ils ont examiné un système classique constitué de microparticules entraînées par un écoulement visqueux dans un mince canal microfluidique. Lorsque les particules sont entraînées par l’écoulement, elles perturbent les lignes de courant qui les entourent, exerçant ainsi des forces hydrodynamiques les unes sur les autres.

Remarquablement, les chercheurs ont découvert que ces forces à longue portée font que les particules s’organisent par paires. En effet, l’interaction hydrodynamique enfreint la troisième loi de Newton, qui stipule que les forces entre deux particules doivent être égales en amplitude et opposées en direction. Au lieu de cela, les forces sont « anti-newtoniennes » car elles sont égales et dans la même direction, stabilisant ainsi la paire.

La grande population de particules couplées par paires a laissé entendre que ce sont les excitations élémentaires à longue durée de vie dans le système – ses quasi-particules. Cette hypothèse s’est avérée juste lorsque les chercheurs ont simulé un grand cristal bidimensionnel composé de milliers de particules et ont examiné son mouvement. Les forces hydrodynamiques entre les particules font vibrer le cristal, un peu comme les phonons thermiques dans un corps solide vibrant.

Ces quasi-particules de paires se propagent à travers le cristal, stimulant la création d’autres paires par une réaction en chaîne. Les quasi-particules voyagent plus vite que la vitesse des phonons, et ainsi chaque paire laisse derrière elle une avalanche de paires nouvellement formées, tout comme le cône de Mach généré derrière un avion à réaction supersonique. Enfin, toutes ces paires entrent en collision les unes avec les autres, conduisant finalement à la fusion du cristal.

La fusion induite par paires s’observe dans toutes les symétries cristallines à l’exception d’un cas particulier : le cristal hexagonal. Ici, la triple symétrie de l’interaction hydrodynamique correspond à la symétrie cristalline et, par conséquent, les excitations élémentaires sont des phonons basse fréquence extrêmement lents (et non des paires comme d’habitude). Dans le spectre, on voit une “bande plate” où ces phonons ultra-lents se condensent. L’interaction entre les phonons à bande plate est hautement collective et corrélée, ce qui se voit dans la classe de transition de fusion beaucoup plus nette et différente.

Notamment, lors de l’analyse du spectre des phonons, les chercheurs ont identifié des structures coniques typiques des quasiparticules de Dirac, tout comme la structure trouvée dans le spectre électronique du graphène. Dans le cas du cristal hydrodynamique, les quasiparticules de Dirac sont simplement des paires de particules, qui se forment grâce à l’interaction « anti-newtonienne » médiée par l’écoulement. Cela démontre que le système peut servir d’analogue classique des particules découvertes dans le graphène.

“Ce travail est une démonstration unique en son genre que les concepts fondamentaux de la matière quantique, en particulier les quasiparticules et les bandes plates, peuvent nous aider à comprendre la physique à plusieurs corps des systèmes dissipatifs classiques”, explique Tsvi Tlusty, l’un des auteurs correspondants de le papier.

De plus, les quasiparticules et les bandes plates présentent un intérêt particulier en physique de la matière condensée. Par exemple, des bandes plates ont été récemment observées dans des doubles couches de graphène tordues par un “angle magique” spécifique, et le système hydrodynamique étudié à l’IBS CSLM présente une bande plate analogue dans un cristal 2D beaucoup plus simple.

“Dans l’ensemble, ces découvertes suggèrent que d’autres phénomènes collectifs émergents qui n’ont été mesurés jusqu’à présent que dans les systèmes quantiques peuvent être révélés dans une variété de paramètres dissipatifs classiques, tels que les systèmes actifs et matière vivante“, déclare Hyuk Kyu Pak, l’un des auteurs correspondants de l’article.