Observation of multipartite spin entanglement in a cuprate chain

Dans le monde des matériaux quantiques, les états de la matière les plus fascinants ne sont pas définis par l'arrangement des atomes, mais par la manière dont les électrons qui les composent sont connectés. Imaginez un groupe de personnes où chaque individu est lié à tous les autres membres de la pièce par un fil invisible et incassable ; dans le domaine quantique, cette connexion est appelée intrication. Lorsque les particules sont intriquées, elles perdent leur identité individuelle et se comportent comme un système unique et unifié, quelle que soit la distance qui les sépare. Ce phénomène est le moteur des comportements étranges des matériaux exotiques, des aimants qui refusent de se stabiliser dans un motif fixe aux supraconducteurs qui conduisent l'électricité sans résistance. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que ces états complexes et hautement intriqués étaient courants dans la nature, pourtant prouver leur existence dans un morceau de matériau solide a été presque impossible. Les outils utilisés pour regarder à l'intérieur de ces matériaux ne voient généralement que le comportement moyen de milliards de particules, gommant les connexions délicates et spécifiques qui définent l'état quantique. Pour véritablement comprendre ces matériaux, les chercheurs avaient besoin d'un moyen de compter exactement combien de particules sont emmêlées dans un nœud unique et inséparable.

Une équipe de physiciens a maintenant accompli cet exploit, en utilisant une technique puissante appelée diffusion inélastique résonante de rayons X pour scruter directement le cœur quantique d'un cristal à base de cuivre. Ils se sont concentrés sur un matériau spécifique connu sous le nom de $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$, qui forme de longues chaînes fines d'atomes de cuivre. Dans cette structure unidimensionnelle, les électrons sont contraints d'interagir de manière très restreinte, créant un laboratoire parfait pour l'étude des connexions quantiques. En bombardant le cristal de rayons X de haute énergie et en analysant soigneusement la lumière qui en rebondissait, les chercheurs ont pu isoler les vibrations magnétiques des électrons. Ils ont découvert qu'à basse température, les électrons de ces chaînes ne se contentent pas d'agir par paires ou en petits groupes, mais sont profondément intriqués en groupes d'au moins sept. Cela signifie que sept spins distincts sont verrouillés ensemble dans un état quantique unique, un niveau de complexité qui figure parmi les plus profonds jamais mesurés dans un matériau solide. La découverte confirme que ces matériaux hébergent un état fondamental hautement intriqué, exactement comme le prédisaient les modèles théoriques, et que cette intrication est étonnamment robuste, survivant même lorsque le matériau est réchauffé à des températures où de tels effets quantiques délicats disparaissent habituellement.

La signification de cette découverte réside dans la méthode utilisée pour la révéler. Pendant des années, les scientifiques se sont appuyés sur un concept mathématique appelé l'Information de Fisher Quantique pour déterminer la profondeur de l'intrication. Cette valeur agit comme un témoin : si le nombre est suffisamment élevé, il prouve qu'un certain nombre de particules sont intriquées. Cependant, calculer ce nombre nécessite généralement de connaître l'état exact de chaque particule, ce qui est impossible à mesurer directement dans un solide. La percée de ce travail a été de trouver un moyen d'extraire cette information directement du spectre des fluctuations magnétiques observé lors de l'expérience de diffusion de rayons X. Les chercheurs ont dû surmonter un obstacle important : les rayons X qu'ils ont utilisés interagissent avec le matériau de deux manières différentes. Une interaction inverse le spin d'un électron, tandis que l'autre le laisse inchangé. Ces deux signaux sont mélangés dans les données, ce qui rend difficile la visualisation des vibrations magnétiques spécifiques nécessaires pour calculer l'intrication. En combinant leurs données expérimentales avec des simulations informatiques précises du comportement du matériau, l'équipe a pu séparer mathématiquement ces signaux. Ils ont isolé la partie spécifique du signal qui correspond à l'inversion des spins, qui est la clé pour mesurer la profondeur de l'intrication.

Lorsqu'ils ont appliqué cette méthode aux données collectées à 35 Kelvin, les résultats ont été frappants. À l'extrémité de la plage de quantité de mouvement du matériau, la valeur calculée indiquait que les électrons étaient intriqués en groupes d'au moins sept. C'est un résultat profond car il démontre que les corrélations quantiques dans ce matériau s'étendent sur une distance significative, impliquant un grand nombre de particules simultanément. Les chercheurs ont également testé la résistance de cette intrication à mesure que la température augmentait. Ils ont répété l'expérience à 220 Kelvin, un environnement beaucoup plus chaud. Bien que l'intrication se soit affaiblie, comme prévu lorsque l'énergie thermique perturbe l'ordre quantique, le matériau présentait toujours des signes d'au moins cinq particules intriquées ensemble. Cette persistance est remarquable car les échelles d'énergie dans ce matériau sont suffisamment grandes pour maintenir la stabilité de l'état quantique même à des températures qui détruiraient l'intrication dans la plupart des autres systèmes. Les résultats concordent parfaitement avec les prédictions d'un modèle théorique connu sous le nom de modèle de Hubbard étendu, qui décrit comment les électrons sautent entre les atomes et se repoussent mutuellement. L'accord entre l'expérience et la théorie valide le modèle et confirme que les chercheurs mesurent bien la véritable nature quantique du matériau.

Ce travail fait plus que mesurer un nombre ; il établit une nouvelle façon d'explorer le monde quantique. En prouvant que la diffusion de rayons X peut être utilisée pour quantifier l'intrication, les chercheurs ont ouvert une porte à l'étude d'autres types de connexions dans les matériaux, telles que celles impliquant la charge électrique ou la forme des orbites électroniques. Cette technique pourrait éventuellement aider les scientifiques à comprendre les états mystérieux présents dans les supraconducteurs à haute température critique, où la nature des connexions quantiques demeure l'un des plus grands puzzles non résolus de la physique. La capacité de détecter et de mesurer ces intrications profondes fournit un point de référence concret pour tester les théories et concevoir de nouveaux matériaux. Cela fait passer le domaine de l'hypothèse sur la présence de corrélations quantiques à l'étape de leur comptage réel, offrant une image plus claire des fils invisibles qui lient le monde quantique. L'étude de $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$ sert de preuve de concept, montrant qu'avec les bons outils et une analyse minutieuse, la complexité cachée des matériaux quantiques peut être ramenée à la lumière.