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Un monopôle étrange observé dans le diamant

Publié le 21 mars 2022 Mis à jour le 21 mars 2022

Quand la théorie des cordes inspire la simulation quantique: une étude publiée dans Science par des chercheurs de la Faculté des Sciences. Leur travail illustre comment un simulateur quantique peut être exploité en vue d'étudier des structures physiques abstraites et complexes, initialement introduites dans le cadre de la physique mathématique.

Les physiciens théoriciens ont l'habitude d'introduire des particules ou des champs fictifs dans leurs calculs dans le but de compléter une théorie ou simplement pour la rendre plus esthétique. Un exemple frappant concerne le monopôle magnétique, source ponctuelle de champ magnétique introduite par Dirac en 1931. Bien que des monopôles de Dirac n'aient jamais été observés dans la nature et que leur existence est exclue par les lois de l'électromagnétisme classique, ils apparaissent de façon effective dans de nombreux problèmes physiques, notamment en physique du solide.

En 2018, Giandomenico Palumbo et Nathan Goldman, chercheurs au sein de l'Unité de recherche en Systèmes complexes et Mécanique statistique (Faculté des Sciences, ULB) ont proposé un schéma expérimental permettant la création et l’observation de monopôles exotiques, appelés « monopôles tensoriels », initialement imaginés dans le cadre de la théorie des cordes. Ces monopôles qui vivent dans un espace à quatre dimensions sont des sources ponctuelles de champs magnétiques généralisés (dits de Kalb-Ramond) qui apparaissent naturellement dans le cadre mathématique de la théorie des cordes. Le résultat central de Palumbo et Goldman, publié en 2018 dans les Physical Review Letters, est la démonstration que de tels monopôles peuvent être créés de façon artificielle en manipulant un système quantique simple, comme un atome à trois niveaux couplés par laser.

Dans une publication parue dans Science et à laquelle Palumbo et Goldman contribuent, l'équipe de Paola Cappellaro (MIT) décrit l'implémentation expérimentale de leur modèle, ainsi que l'observation et la caractérisation du monopôle tensoriel associé. Dans cette expérience, les chercheurs manipulent un atome artificiel réalisé à partir d'un défaut dans le diamant (un centre azote-lacune ou centre NV). Ce système hautement contrôlable a permis de préparer le monopôle synthétique, de mesurer le champ de Kalb-Ramond qui en émane, ainsi que la charge du monopôle (un nombre entier établi par la topologie).

Ce travail illustre comment un simulateur quantique peut être exploité en vue d'étudier des structures physiques abstraites et complexes, initialement introduites dans le cadre de la physique mathématique.

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