Les scientifiques ont trouvé des preuves qu’un étrange groupe de particules quantiques est fondamentalement immortel

Rien n’est éternel. Les humains, les planètes, les étoiles, les galaxies, peut-être même l’Univers lui-même, tout a une date d’expiration. Mais dans le domaine quantique, les choses ne suivent pas toujours les règles. Des scientifiques ont découvert que les quasi-particules des systèmes quantiques pouvaient être effectivement immortelles.

Cela ne signifie pas qu’elles ne se désintègrent pas, ce qui est rassurant. Mais une fois que ces quasi-particules se sont désintégrées, elles sont capables de se réorganiser pour exister à nouveau, peut-être à l’infini.

Cela semble aller à l’encontre de la deuxième loi de la thermodynamique, qui affirme que l’entropie dans un système isolé ne peut évoluer que dans une direction croissante : les choses ne peuvent que se décomposer, pas se reconstituer.

Bien sûr, la physique quantique peut être bizarre avec les règles, mais même les scientifiques quantiques ne savaient pas que les quasi-particules étaient bizarres de cette manière particulière.

“Jusqu’à présent, l’hypothèse était que les quasiparticules dans les systèmes quantiques en interaction se désintègrent après un certain temps”, a déclaré le physicien Frank Pollman de l’Université technique de Munich en juin 2019.

“Nous savons maintenant que c’est le contraire : les interactions fortes peuvent même arrêter complètement la désintégration.”

Les quasi-particules ne sont pas des particules telles que nous les concevons habituellement, comme les électrons et les quarks. Il s’agit plutôt de perturbations ou d’excitations dans un solide causées par des forces électriques ou magnétiques qui, collectivement, se comportent comme des particules.

Les phonons – les unités discrètes d’énergie vibratoire qui font osciller les atomes d’un réseau cristallin, par exemple – sont souvent classés parmi les quasi-particules, tout comme les polarons, des électrons piégés dans un réseau entouré d’un nuage de polarisation.

Les chercheurs impliqués dans cette récente étude ont mis au point des méthodes numériques pour calculer les interactions complexes de ces quasi-particules, et ont effectué des simulations sur un ordinateur puissant pour observer leur désintégration.

“Le résultat de la simulation élaborée : certes, les quasiparticules se désintègrent, mais de nouvelles entités particulaires identiques émergent des débris”, a déclaré le physicien Ruben Verresen de l’Université technique de Munich et de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes.

“Si cette désintégration se déroule très rapidement, une réaction inverse se produira après un certain temps et les débris convergeront à nouveau. Ce processus peut se reproduire à l’infini et une oscillation soutenue entre désintégration et renaissance apparaît.”

Et, comme l’ont souligné les physiciens, ce processus ne viole finalement pas la deuxième loi de la thermodynamique. En effet, l’oscillation est une onde qui se transforme en matière, ce qui est couvert par le concept de mécanique quantique de la dualité onde-particule.

Leur entropie ne diminue pas, mais reste constante, ce qui est tout de même assez étrange, mais pas de nature à briser la physique.

En fait, cette découverte a permis de résoudre quelques autres énigmes. Par exemple, il existe un composé magnétique Ba3CoSb2O9 utilisé dans des expériences qui s’est avéré auparavant étonnamment stable. Il semble maintenant que la clé pourrait être les quasi-particules magnétiques qu’il contient, appelées magnons. Selon la simulation, elles se réarrangent après la désintégration.

Un autre exemple potentiel est l’hélium : il devient un superfluide sans résistance à une température de zéro absolu, et cette propriété particulière pourrait s’expliquer par le fait que ce gaz est rempli de quasi-particules appelées rotons.

Pour l’instant, les travaux n’en sont qu’au stade théorique, mais les chercheurs estiment que cette immortalité des quasi-particules lui confère un fort potentiel pour le stockage durable des données dans les systèmes informatiques quantiques.

Cette recherche a été publiée dans Nature Physics.

Une version de cet article a été publiée pour la première fois en juin 2019.