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Particules quantiques et désordre: un problème complexe trouve une réalisation expérimentale

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Résumé
Description
Les particules quantiques (les électrons dans les solides, les atomes dans les fluides et les gaz, etc.) sont particulièrement sensibles au désordre aux très basses températures, quand leur nature ondulatoire devient importante. Le phénomène dit de "localisation d'Anderson" forcent les particules quantiques dans des états "piégés" (localisés) qui empêchent en principe la conduction (d'un courant électrique, de la chaleur, etc.). Étant donné que le désordre est omniprésent dans la nature, on peut raisonnablement se demander comment le transport des particules quantiques est possible. Les stratégies pour échapper à la localisation sont multiples et dépendent du système à l'étude. Dans cet article publié le 19 septembre dans Nature, Tommaso Roscilde du laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon, et ses collègues (voir plus loin) explorent la localisation dans un système de bosons en interaction et leur remarquable transition collective à un état délocalisé.
Ces travaux de recherche ont permis de réaliser expérimentalement un verre de Bose dans un aimant quantique, NiCl2-4SC(NH2)2 (DTN), dans lequel les moments magnétiques atomiques (les « spins ») reproduisent le comportement d'un fluide de bosons.
Ont collaboré à cett publication des groupes expérimentaux  de : Los Alamos National Laboratories (USA), National High Magnetic Field Laboratories et de  l'University of Florida, Gainesville (USA), de l'Université de São Paulo (Brésil) de l'Institut Max-Planck pour la Physique Chimique des Solides à Dresde (Allemagne), et des groupes théoriques de la Rice University (USA), de l'University of Southern California (USA) et de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon (France).

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Références :  "Bose glass and Mott glass of quasiparticles in a doped quantum magnet"- doi:10.1038/nature11406. Rong Yu, Liang Yin, Neil S. Sullivan, J. S. Xia, Chao Huan, Armando Paduan-Filho, Nei F. Oliveira Jr, Stephan Haas,  Alexander Steppke, Corneliu F. Miclea, Franziska Weickert, Roman Movshovich, Eun-Deok Mun, Brian Scott, Vivien S. Zapf, and Tommaso Roscilde
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Les bosons

Les bosons sont des particules quantiques identiques qui, lorsqu'elles sont amenées à leur état d'énergie minimale, «condensent» dans le même état ondulatoire avec une vitesse nulle en l'absence de perturbation. Elles forment ainsi une onde de matière macroscopique connue comme condensat de Bose-Einstein. En présence de désordre, le condensat de Bose-Einstein pourrait être localisé, par exemple autour d'une « vallée » donnée du paysage d'énergie désordonné. Mais la proximité de chaque particule à toutes les autres dans un état localisé rende les interactions beaucoup trop fortes, et énergétiquement il est plus favorable pour les bosons de se redistribuer sur des vallées séparées, donnant lieu à ce qu'on appelle un verre de Bose