Un cristal visible à l'œil nu révèle l'intrication quantique à l'échelle macroscopique

Cette avancée n'a pas été rendue possible par un nouveau microscope, mais par un concept emprunté à la théorie de l'information quantique : l'information de Fisher quantique (QFI). Développée à l'origine par le physicien Peter Zoller et son groupe à l'Université d'Innsbruck, la QFI mesure avec quelle sensibilité un système quantique réagit à une petite perturbation. Si la réponse dépasse une limite classique bien définie – autrement dit, si le tout réagit plus fortement que la somme de ses parties – cette sensibilité ne peut provenir que de l'intrication quantique , .

En appliquant ce cadre théorique, l'équipe a pu, pour la première fois, extraire une mesure directe de l'intrication d'un matériau massif, une approche radicalement différente des expériences traditionnelles qui exigent une préparation et un isolement minutieux des états quantiques.

L'expérience : des neutrons pour révéler des collectifs intriqués

Les chercheurs, dirigés par Silke Bühler-Paschen, professeure à la TU Wien, n'ont pas tenté l'impossible : placer le cristal entier dans un état de superposition quantique. Au lieu de cela, ils ont utilisé une technique de pointe au grand instrument européen : la diffusion inélastique de neutrons à l'Institut Laue–Langevin (ILL) à Grenoble. En bombardant le cristal de neutrons, ils ont pu observer comment les « spins » des particules du matériau fluctuent collectivement en fonction de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la température .

Lorsqu'ils ont appliqué le formalisme de la QFI à ces données de diffusion, les résultats ont été frappants. La réponse collective du cristal était bien trop forte pour être expliquée par des particules indépendantes. La densité de QFI a atteint une valeur de f_Q = 8,2 ± 0,9 à la température la plus basse mesurée (60 millikelvins, soit 0,06 degré au-dessus du zéro absolu). Mathématiquement, cela correspond à un groupe d'au moins neuf entités quantiques agissant de concert. L'intrication a culminé près d'un champ magnétique d'environ 1,73 Tesla, exactement au point critique quantique où l'effet Kondo est détruit. En refroidissant le cristal de 10 K à 60 mK, la densité de QFI a bondi de près de 40 fois sans montrer de signe de saturation, laissant penser qu'une intrication encore plus forte pourrait exister à des températures encore plus basses , .

Pourquoi les métaux étranges sont... étranges

Ces résultats offrent une nouvelle grille de lecture pour l'une des plus grandes énigmes de la physique de la matière condensée. Dans les métaux étranges, les électrons semblent perdre leur identité individuelle pour former une « soupe quantique » collective. Cette expérience relie directement l'effondrement des quasi-particules, au point critique quantique de destruction de l'effet Kondo, à un pic d'intrication multipartite , . La fameuse résistivité linéaire en température, signature des métaux étranges, ne serait donc pas la trace d'un simple désordre, mais plutôt la manifestation d'un état quantique collectif hautement intriqué.

De la physique fondamentale aux capteurs quantiques

Au-delà de l'explication des métaux étranges, ce travail ouvre une voie pratique pour les technologies quantiques. L'information de Fisher quantique n'est pas seulement un détecteur d'intrication ; c'est aussi la grandeur centrale en métrologie quantique, la science de la mesure ultra-précise. Un matériau doté d'une forte intrication interne et stable constitue une plateforme naturelle pour un capteur très sensible. Si une telle intrication peut être maintenue à des températures plus élevées et pratiques, ces matériaux pourraient être utilisés pour la détection de champs magnétiques infimes ou même d'ondes gravitationnelles. L'étude ouvre la porte à l'utilisation des techniques basées sur la QFI pour cribler systématiquement d'autres matériaux quantiques, y compris les supraconducteurs à haute température, à la recherche d'une intrication macroscopique , .

Une collaboration internationale

Cette étude est le fruit d'une collaboration internationale. Le travail expérimental a été mené par le groupe de Silke Bühler-Paschen à la TU Wien, le doctorant Federico Mazza ayant conduit les expériences de diffusion de neutrons à l'ILL de Grenoble. Les fondations théoriques ont été posées par l'équipe de Peter Zoller à l'Université d'Innsbruck, avec les contributions de Qimiao Si de l'Université de Rice, dont le groupe étudie depuis longtemps le mécanisme de destruction de l'effet Kondo dans Ce₃Pd₂₀Si₆.

En unissant les outils abstraits de l'information quantique à la réalité complexe d'un solide massif, l'équipe a construit un pont entre deux domaines jusqu'ici éloignés. Ils ont offert aux physiciens une nouvelle manière d'observer l'« action fantôme » dont doutait Einstein, non pas dans une chambre à vide, mais au cœur d'un petit cristal scintillant, posé là, à la vue de tous.