Une astuce quantique impliquait une stabilité éternelle. Maintenant, il s'effondre. | Magazine Quanta

C’est une vérité de la physique et de l’expérience quotidienne que les choses s’effondrent. La glace fond. Les bâtiments s'effondrent. Tout objet, si vous attendez suffisamment longtemps, se mélange à lui-même et à son environnement au point de devenir méconnaissable.

Mais à partir de 2005, une série d’avancées a rendu cette marche de la mort devenue facultative. Dans le bon environnement quantique, tout arrangement d’électrons ou d’atomes resterait en place pour toute l’éternité – même les arrangements inégaux grouillant d’activité. Cette découverte va à l’encontre de l’idée reçue selon laquelle les phénomènes quantiques sont des choses fragiles, observables uniquement à des températures extrêmement basses. Cela a également percé un trou dans les fondements de la thermodynamique, la vénérable branche de la physique qui explique des phénomènes comme la chaleur et l’entropie comme des conséquences inévitables de l’interaction de vastes essaims de particules.

Les résultats ont été un choc pour des physiciens comme Norman Yao, alors étudiant diplômé et aujourd'hui professeur à l'Université Harvard. « Putain d'enfer », se souvient-il avoir pensé, utilisant un mot plus fort que l'enfer. « Si cela est vrai dans un système à plusieurs particules en interaction, alors la mécanique statistique échoue. La thermodynamique échoue.

La notion d’une nouvelle stabilité quantique radicale s’est répandue. Cela a inspiré les théoriciens à évoquer une ménagerie de nouvelles phases de matière quantique telles que les cristaux temporels – des systèmes qui maintiennent un comportement répétitif indéfiniment sans absorber d’énergie. Et les ingénieurs quantiques luttant contre la frilosité des qubits pour construire des ordinateurs quantiques ont été rassurés par cette indication selon laquelle leur combat était gagnable.

« Dans un ordinateur quantique, vous devez avoir en mémoire vos conditions initiales ; sinon, vous ne pouvez rien faire », a déclaré Yao.

L’accumulation de preuves a culminé en 2014 avec une preuve mathématique rigoureuse que les modèles quantiques pouvaient effectivement durer éternellement.

Ces dernières années, cependant, la promesse de structures quantiques éternellement stables a elle-même commencé à vaciller. De tels schémas peuvent en effet perdurer pendant des éternités, comme l’ont montré les expériences révolutionnaires. Mais un débat fait rage quant à savoir si ces éons peuvent réellement s’étendre jusqu’à l’éternité, comme le croient de nombreux physiciens. En disséquant la nature fondamentale du destin quantique, les physiciens impliqués ont découvert des phénomènes quantiques jusqu’alors inconnus qui menacent la stabilité de grandes hordes de particules.

"Vous pensiez avoir très bien compris [cette idée], et maintenant ce n'est plus le cas", a déclaré Védika Khemani, physicien à l'Université de Stanford. "C'est amusant. Il y a encore un mystère à résoudre.

Un avant-goût de l'éternité

Une des premières indications de l'éternité quantique a été reprise par Phil Anderson, un physicien qui allait devenir une légende dans son domaine. Dans les années 1950, Anderson étudiait aux Bell Labs ce qui était alors une physique de pointe : le comportement des électrons à l’intérieur des semi-conducteurs. En essayant de comprendre certains résultats expérimentaux déroutants, il s’est retrouvé à réfléchir à un problème plus abstrait.

Était-il possible, se demandait Anderson, de piéger une seule particule quantique sur place ?

Il est facile de piéger un objet classique, comme une boule de billard. Il suffit de l'entourer de barrières, comme les rails d'une table de billard. Mais les particules quantiques peuvent voyager sans se soucier totalement des barrières en les traversant par « tunnel ». Le problème, c'est qu'ils ne peuvent pas voyager loin. Le tunneling devient difficile – c’est-à-dire exponentiellement improbable – à mesure qu’une particule essaie d’aller plus loin. Anderson se demandait quel environnement pouvait contenir un artiste de l'évasion quantique.

Le secret, a-t-il découvert, était de coller la particule dans un paysage quantique « désordonné », parsemé de pics et de vallées. Chaque emplacement aurait une hauteur aléatoire, représentant une énergie aléatoire. Dans un matériau réel, ce désordre peut provenir d'impuretés telles que des atomes manquants ou des atomes d'éléments différents.

Avec suffisamment de désordre, a conclu Anderson, une particule ne parviendrait jamais à creuser un tunnel aussi loin. Pour creuser un tunnel, une particule doit trouver un emplacement avec une énergie similaire (ou à une altitude similaire) à celle dans laquelle elle commence. Et plus de désordre rend ces sites plus rares. En regardant plus loin dans le paysage, une particule pourrait être capable de repérer des sites candidats à un rythme décent. Ce taux pourrait être assez rapide dans les dimensions « supérieures » comme les plans 2D et les briques 3D, où la particule dispose de plus d’options. Mais la difficulté exponentielle pour atteindre ces endroits augmenterait toujours plus vite, rendant la construction d’un tunnel improbable.

Le creusement de tunnels n'était pas suffisant, a soutenu Anderson dans un papier 1958. Un paysage désordonné de n’importe quelle dimension « localiserait » une particule. L'ouvrage n'a pratiquement pas été lu pendant des années, même s'il finira par lui assurer une part du marché. Prix ​​Nobel de physique 1977.

Alors que les réflexions d'Anderson ont été inspirées par les électrons d'un semi-conducteur, son cadrage révèle qu'il pensait de manière plus abstraite. L'anomalie qui l'avait motivé était une mystérieuse résistance des électrons à un processus connu sous le nom de thermalisation. Il a cherché à comprendre plus en profondeur quand un système se thermaliserait ou non. Il n’a pas été le premier physicien à étudier ce phénomène, mais les questions qu’il a soulevées dans ses travaux captiveront l’imagination d’une génération ultérieure de physiciens.

«C'était 50 ans en avance sur son temps», a déclaré David Husse, physicien à l'Université de Princeton.

Dans le langage courant, la thermalisation est la tendance naturelle des systèmes à se mélanger. Un nouveau jeu de cartes perd rapidement son ordre d'origine. Un château de sable se transforme en un morceau de sable humide. En thermodynamique, cette tendance est une conséquence directe des statistiques. Il n'y a que quelques façons d'être ordonnées et un très grand nombre de façons d'être mélangées, de sorte qu'un système initialement commandé est extrêmement susceptible de finir par être mélangé.

La principale caractéristique de la thermalisation est que tous les motifs initiaux sont effacés par le mélange. Tout point chaud initial ou toute concentration d’énergie, par exemple, se propage jusqu’à ce qu’aucune propagation ultérieure ne soit plus possible. À ce stade, le système devient stable et cesse de changer sensiblement – ​​un scénario que les physiciens appellent l’équilibre thermique.

Rétrospectivement, les physiciens constatent que les travaux d'Anderson contenaient les germes d'une rébellion contre la thermalisation. Il avait montré qu'un paysage désordonné pouvait piéger une particule. La question clé est devenue : pourrait-il localiser de nombreuses particules ? Si les particules restaient bloquées, l’énergie ne se propagerait pas et un système ne se thermaliserait jamais. Contrairement à la thermalisation, la localisation représenterait un tout nouveau type de stabilité, une manière inattendue pour les modèles quantiques d’énergie de persister pour toujours.

"Savoir si la thermalisation est cette chose universelle qui se produira dans un système fermé, ou si elle peut complètement s'effondrer", a déclaré Maïssam Barkeshli, physicien à l’Université du Maryland, « est l’une des questions les plus fondamentales de la physique ».

Répondre à cette question nécessiterait toutefois de résoudre un problème qui donnait l’impression que le travail d’Anderson, lauréat du prix Nobel, était un échauffement. Le problème fondamental est que des groupes de particules peuvent s’influencer mutuellement de manière colossalement complexe. La prise en compte de ces interactions s'est avérée si compliquée que près de 50 ans se sont écoulés entre l'article d'Anderson de 1958 et les premières tentatives sérieuses pour comprendre la localisation dans les systèmes à plusieurs particules, que les physiciens appellent localisation à plusieurs corps.

La réponse incroyable qui émergera, un demi-siècle plus tard, est que la thermalisation n’est pas toujours inévitable. Au mépris de la thermalisation, la localisation à N corps semblait possible.

"Cela enfreint les lois de la thermodynamique", a déclaré Wojciech De Roeck, physicien à la KU Leuven en Belgique. "Cela signifie que le chaos ne gagne pas toujours."

L’essor de la localisation à plusieurs corps

La suite à succès de l'œuvre d'Anderson est arrivée en 2005, lorsque Denis Basko, Igor Aleiner ainsi que les Boris Altshuler, physiciens affiliés aux universités de Princeton et de Columbia, ont publié un article historique qui rendrait leurs initiales instantanément reconnaissables pour les chercheurs dans le domaine. Dans ce document, BAA étudiait si les impuretés atomiques présentes dans un métal pouvaient localiser les électrons, les piégeant à proximité des atomes et transformant le matériau conducteur en isolant.

In 88 pages À partir d'une théorie mathématique dense comprenant 173 équations numérotées et 24 figures (hors annexes), BAA a montré qu'un matériau désordonné pouvait en effet arrêter des groupes d'électrons dans leur élan, tout comme Anderson avait montré qu'il pouvait arrêter une particule. Leurs travaux ont effectivement lancé l’étude de la localisation à plusieurs corps, ou MBL.

"C'était vraiment un tour de force", a déclaré Khemani. "Ils ont montré que MBL est stable dans toutes les dimensions." L'œuvre était également impénétrable. Les chercheurs y croyaient mais ne l’ont pas suffisamment bien compris pour s’en inspirer. « Personne d’autre qu’eux ne pouvait vraiment faire le calcul du BAA », a déclaré Jed Pixley, physicien de la matière condensée à l'Université Rutgers.

Mais la découverte de BAA a eu des répercussions sur le campus de Princeton. Basko en a parlé à son ami Vadim Oganesyan, qui en a discuté avec son conseiller David Huse. Tous deux effectuaient déjà des simulations informatiques qui leur permettraient de tester plus directement les idées de BAA dans le contexte plus abstrait de la thermalisation.

Dans leurs simulations, Huse et Oganesyan ont mis en place des chaînes de particules quantiques qui pourraient pointer vers le haut ou vers le bas et renverser leurs voisines. Lorsqu'ils ont ajouté de plus en plus de désordre, conformément à la recette de localisation, ils ont vu des signes indiquant que les chaînes de particules passaient d'un scénario de thermalisation (dans lequel, par exemple, une particule se retournant rapidement répartissait son énergie et commençait à renverser ses voisines) à un scénario proche. scénario localisé (où la particule conserverait son énergie). La transition de la thermalisation à la localisation à un certain niveau de désordre ressemblait plutôt à des transitions entre phases de la matière, comme entre liquide et glace, qui se produisent à une certaine température.

La MBL pourrait-elle être considérée comme une sorte de phase ? Les phases occupent un statut particulier en physique. Ils ont également une définition particulière. Il est essentiel qu’une phase de la matière soit stable pendant une période de temps infiniment longue et pour un système infiniment grand. S’il y avait effectivement une transition entre thermalisation et localisation, et si la localisation se produisait indéfiniment pour des systèmes infinis, peut-être que les deux types de stabilité pourraient être considérés comme des phases à part entière.

Oganesyan et Huse ne pouvaient pas simuler des chaînes infiniment longues pendant des temps infiniment longs (ils pouvaient faire environ une douzaine de particules), ils n'étaient donc pas surpris de voir des signes imparfaits de localisation. Mais à mesure qu’ils allongeaient leurs chaînes, la transition vers la localisation devenait plus nette. Leur première œuvre, posté en 2006, a évoqué la possibilité intrigante que pour des chaînes infiniment longues présentant suffisamment de désordre, une phase de localisation puisse exister.

Peut-être plus important encore, leurs simulations étaient faciles à comprendre. "David a fait le calcul pour que tout le monde puisse le faire", a déclaré Pixley.

Des études numériques ultérieures ont soutenu l'idée selon laquelle un paysage accidenté pouvait localiser l'énergie, et les physiciens ont commencé à réfléchir aux implications. Des déluges d’énergie, souvent sous forme de chaleur, effacent les phases délicates de la matière quantique. Mais si des pics suffisamment irréguliers pouvaient stopper la propagation de l’énergie, les structures quantiques pourraient survivre à n’importe quelle température. "Vous êtes capable d'obtenir des phénomènes que nous associons réellement et ne comprenons qu'à température nulle", a déclaré Anushya Chandran, physicien à l'Université de Boston qui a étudié le MBL en tant qu'étudiant diplômé de Princeton.

Une structure quantique de grande envergure issue du MBL était un modèle temporel. Retournez une extrémité d'une chaîne de particules à un certain rythme, et la chaîne entière pourrait basculer entre deux configurations sans absorber aucune énergie du retournement. Ces "cristaux de temps» étaient une phase exotique de hors-équilibre de la matière, ce qui n'était possible que parce qu'un paysage suffisamment désordonné empêchait tout arrangement imaginable de particules d'atteindre l'équilibre thermique.

"Il n'y a tout simplement pas d'analogue", a déclaré Khemani, qui est arrivé à Princeton à cette époque et qui allait jouer un rôle de pionnier dans la compréhension et la création des cristaux temporels. "C'est un changement de paradigme complet."

La dernière pièce du puzzle théorique s’est mise en place en 2014, lorsque Jean Imbrié, physicien mathématicien à l'Université de Virginie, a montré que si l'on pouvait enchaîner une chaîne infiniment longue de particules avec suffisamment de désordre, toute configuration resterait localisée. Malgré la capacité des particules à interagir avec leurs voisines, elles continueraient individuellement à faire leur propre travail pour toujours.

La preuve mathématique rigoureuse, qui est rare en physique, est le résultat de cinq années d'efforts. Cela garantissait pratiquement que la localisation était possible, renforçant ainsi son statut de phase. "Lorsque vous argumentez mathématiquement, vous devez considérer toutes les possibilités", a déclaré Imbrie. "Cela fait partie de la beauté."

À peu près au même moment, des physiciens travaillant dans des laboratoires spécialisés dans la manipulation d’atomes froids confirmaient que les particules réelles se comportaient à peu près de la même manière que les particules numériques. Un nombre modeste d'atomes séparés par des montagnes de lumière s'étalent à un rythme glacial, aussi bien lorsque disposés en lignes 1D et quand disposés en grilles 2D.

Avec une prépondérance de preuves expérimentales, mathématiques et numériques, MBL semblait destiné à entrer au panthéon des transitions de phase aux côtés du magnétisme et de la supraconductivité. Les physiciens s’attendaient à ce qu’une grande variété de systèmes différents dans différentes dimensions puissent ignorer de manière flagrante leur destin thermodynamique présumé.

En 2022, l'American Physical Society a décerné à Altshuler, Huse et Aleiner le prestigieux Prix ​​Lars Onsager, du nom du physicien mathématicien qui a prouvé qu'un modèle de dessin animé capturé la transition de phase lorsqu'un matériau devenait magnétisé.

Mais avant même la remise des prix, l’idée de structures infiniment durables commençait à s’effondrer.

Le début de l'oscillation

La première secousse est survenue environ un an et demi après l'épreuve d'Imbrie.

Rappelons que la transition de la thermalisation à la localisation se déroule comme des transitions entre des phases familières de la matière. Lorsque le métal magnétise, par exemple, certaines propriétés changent à des rythmes particuliers, décrits par des équations méticuleusement calculées. Les valeurs particulières dans ces équations ont certains exposants, comme le 2 en x².

Pour une véritable transition de phase dans une dimension, les mathématiciens avaient prouvé que deux de ces exposants devaient être supérieurs à 2. Mais les simulations MBL avaient trouvé qu'ils étaient égaux à 1 — un désaccord majeur. Dans un prépublication encore inédite publié en 2015, Oganesyan et Chandran, en collaboration avec Christopher Laumann de l'Université de Boston, ont montré que l'inadéquation n'était pas seulement un effet secondaire insignifiant de l'étude des chaînes courtes plutôt que des chaînes infinies. Quelque chose de plus fondamental semblait bizarre.

"Ils ont examiné la question attentivement", a déclaré Huse. "Mais nous ne parvenions pas à comprendre ce qui n'allait pas."

Une série de chocs plus importants se sont produits au cours des années suivantes. Imaginez le genre de paysage montagneux qui mènerait à MBL. Étendez maintenant ce paysage à l’infini dans toutes les directions. Si vous en explorez suffisamment au hasard, à un moment donné, vous tomberez forcément sur une zone plate étendue.

Les particules dans une zone plate peuvent facilement trouver des états d’énergie similaire vers lesquels créer un tunnel, de sorte qu’elles se mélangent et se thermalisent. Dans une telle région, les états énergétiques abondent, augmentant les chances qu'une particule dans les montagnes voisines puisse entrer en contact et se thermaliser elle-même, a fait valoir De Roeck de la KU Leuven et François Huveneers, qui était alors à l'Université Paris-Dauphine en France. Ainsi, la zone plane peut servir de source d'énergie thermalisante.

Mais un si petit patch pourrait-il faire tomber tout le système ? Le scénario semblait intuitivement aussi plausible qu’un bain à remous à Denver provoquant des effondrements à Vail, Breckenridge et Telluride. Les physiciens ne l’ont pas accepté tout de suite. Lorsque De Roeck et Huveneers ont évoqué cette possibilité lors de conférences, leurs exposés ont provoqué des explosions de colère dans l'auditoire.

"C'était une grosse surprise", a déclaré De Roeck. «Au début, beaucoup de gens ne nous croyaient pas.»

Dans une série d'articles commençant en 2016, De Roeck, Huveneers et leurs collaborateurs ont présenté leurs arguments en faveur d'un processus désormais connu sous le nom d'avalanche. Ils ont fait valoir que, contrairement à un spa, ce qui commence comme une goutte de particules thermalisées peut faire boule de neige dans un océan.

"Vous avez un bain de chaleur et il recrute les sites voisins dans le bain de chaleur", a déclaré Imbrie. « Cela devient de plus en plus fort et attire de plus en plus de sites. C'est l'avalanche.

La question cruciale était de savoir si une avalanche allait prendre de l’ampleur ou la perdre. À chaque étape, le bain thermique deviendrait en effet un réservoir d’énergie plus grand et meilleur. Mais chaque étape rendait également plus difficile la thermalisation du site suivant. Rappelant la localisation monoparticulaire d'Anderson, le débat se résumait à une course entre deux effets : l'amélioration du bain versus sa difficulté à croître davantage.

De Roeck et Huveneers ont fait valoir que les avalanches gagneraient en deux et trois dimensions, car elles stockaient des états énergétiques incroyablement rapidement – ​​à des rythmes liés à leur superficie (en 2D) ou à leur volume (en 3D) à croissance rapide. La plupart des physiciens en sont venus à accepter que les avalanches dans ces paysages étaient imparables, faisant de MBL une perspective lointaine en feuilles ou en briques.

Mais la possibilité d'une MBL dans des chaînes unidimensionnelles a survécu, car une avalanche traversant une ligne accumule plus lentement les états d'énergie. En fait, le bain thermique devient plus puissant à peu près au même rythme que la difficulté de croissance. C'était une égalité. Les avalanches peuvent continuer en 1D ou s'arrêter.

D’autres physiciens, quant à eux, sont devenus sceptiques quant à la possibilité que MBL puisse exister même dans une chaîne 1D. En 2019, une équipe d'experts slovènes du chaos, dont Tomáž Prosen a réanalysé d'anciennes données numériques et a mis en évidence le fait qu'à mesure que le paysage devenait plus montagneux, la thermalisation ralentissait considérablement mais jamais complètement arrêté — une vérité gênante que les chercheurs du MBL considéraient comme un artefact de leurs simulations à petite échelle. Anatoli Polkovnikov de l'Université de Boston et Sels secs, aujourd'hui de l'Université de New York et du Flatiron Institute, entre autres chercheurs, est venu conclusions similaires. Leurs arguments remettaient directement en question l’attrait central du MBL : la promesse d’une vie éternelle pour un château de sable quantique.

« Au niveau des théoriciens parlant de MBL », a déclaré Chandran, « il existe un régime honnête envers Dieu dans lequel [le temps de thermalisation] n'est pas seulement l'âge de l'univers, et nous ne pouvons pas le voir. Non, c'est vraiment infini.

Un débat vigoureux s’ensuit, tant dans la littérature académique que dans les discussions privées. Sels et Huse ont passé des heures sur Zoom au plus profond de la pandémie. Ils se parlaient parfois, mais chacun attribue à l’autre des idées productives. Les tenants et aboutissants de la controverse sont extrêmement techniques, et même les chercheurs impliqués ne peuvent pas articuler pleinement toutes les perspectives. Mais en fin de compte, leurs différences se résument au fait que chaque camp fait deviner à une personne instruite – extrêmement instruite – ce que vous verriez si vous pouviez regarder une chaîne de particules se retourner pour toujours.

Les deux parties ne sont toujours pas d’accord sur l’existence d’une véritable phase MBL dans une dimension, mais l’un des résultats concrets de ce conflit est qu’il a poussé les chercheurs à examiner l’effet que les avalanches pourraient avoir sur l’apparition présumée de la MBL.

Les groupes sceptiques « avaient de très bons arguments, mais ils les ont poussés un peu trop loin », a déclaré Huse. «Cela nous a vraiment motivés.»

Huse, en collaboration avec une équipe de vétérans du MBL, dont Khemani, a mis au point un moyen de simuler l'effet d'une avalanche sur des chaînes courtes sans en déclencher une. (Personne n'a vu une avalanche, même numériquement, car pour obtenir un point plat suffisamment grand, vous pourriez avoir besoin d'une chaîne de plusieurs milliards de particules, estime Sels, et les chercheurs étudient généralement des chaînes d'environ 12.) Sels a ensuite développé sa propre simulation d'avalanche. en haut.

Les deux groupes sont venus similaires conclusions en 2021 : La transition MBL, si elle existait, nécessitait un paysage bien plus montagneux que ce que les chercheurs avaient cru. Avec le niveau de robustesse que l'on pensait auparavant provoquer le MBL, la thermalisation ralentirait, mais ne s'arrêterait pas. Pour donner aux bonhommes de neige quantiques une chance de lutter contre les avalanches, il faudrait que le paysage soit plus désordonné que ce que Huse et compagnie avaient imaginé. Le groupe de Huse a initialement estimé que les montagnes devraient être au moins deux fois plus accidentées. Les travaux de Sels ont poussé ce nombre jusqu'à au moins six fois plus accidenté, ce qui fait que les montagnes ressemblent davantage à l'Himalaya qu'aux Rocheuses. Le MBL peut encore se produire dans ces contextes extrêmes, mais la théorie qui avait été construite autour de la transition la moins accidentée posait effectivement des problèmes.

"Nous l'avons en quelque sorte accepté de manière trop approfondie et nous n'en avons pas examiné les subtilités", a déclaré Huse.

Dans les travaux de 2021, les chercheurs ont réécrit et élargi le diagramme de phase MBL pour les chaînes 1D. Dans les plaines semblables au Kansas, les particules se thermalisent rapidement. Dans les Rocheuses, les chercheurs ont reclassé la « phase » MBL en « régime pré-thermique ». Il s’agit du régime apparemment stable découvert par BAA, les simulations de Princeton et les expériences atomiques. Mais les chercheurs avaient maintenant conclu que si l’on attendait extrêmement longtemps – littéralement des milliards d’années pour certaines configurations – les particules séparées par les Rocheuses se mélangeraient et se thermaliseraient.

Au-delà des Rocheuses se trouve l'Himalaya. Ce qui s’y passe reste une question ouverte. Sels et Prosen sont convaincus que l’énergie se propagera et qu’une thermalisation finira par se produire, même si cela prend des éternités. Huse et sa compagnie continuent de croire qu'une véritable MBL s'installe.

La principale raison de croire en MBL est la preuve de 2014. Parmi les nombreux piliers de preuves soutenant l’existence du véritable MBL, la preuve d’Imbrie est la dernière debout. Et après une carrière dans le développement d’outils mathématiques sur mesure pour ce type de problèmes, il s’y maintient.

"Il n'est pas rare en mathématiques d'avoir une erreur dans une preuve", a-t-il déclaré, "mais je pense que je sais ce que je fais."

La preuve divise cependant les physiciens, car ils ne la comprennent pas. Ce n'est pas faute d'avoir essayé. Laumann a demandé un jour à Imbrie de lui enseigner la preuve, ainsi qu'à une poignée de chercheurs, pendant une semaine en Italie, mais ils n'ont pas pu suivre les étapes en détail. Cela n’est cependant pas entièrement surprenant, car les physiciens utilisent généralement les mathématiques d’une manière plus rapide et plus souple que les mathématiciens. L'argument d'Imbrie ne dépend d'aucun niveau spécifique de robustesse du paysage, de sorte que les récentes révisions du diagramme de phase MBL ne le remettent en rien. Pour déterminer si MBL existe réellement, les chercheurs devront s’attacher et soit trouver un problème dans la preuve, soit vérifier chaque ligne.

De tels efforts sont en cours. Sels et ses collaborateurs disent être en train de finaliser un argument qui contredirait celui d'Imbrie. Pendant ce temps, De Roeck et Huveneers, les mathématiciens qui ont découvert la menace des avalanches, s'efforcent depuis deux ans de réécrire la preuve d'Imbrie sous une forme plus accessible. De Roeck dit qu'ils ont mis tous les éléments majeurs en place et que jusqu'à présent, la logique semble solide.

"MBL, je crois que ça existe", a déclaré De Roeck. Mais « nous faisons des mathématiques ici, donc le moindre petit problème peut tout faire dérailler ».

Au-delà des anges quantiques

Dans l’univers que nous habitons, qui se thermalisera lui-même dans un nombre incompréhensible d’années, la permanence est toujours une sorte d’illusion. Manhattan sombre sous son propre poids à 1.6 centimètres par décennie. Les continents fusionneront dans environ 250 millions d’années. Et pendant que c'est un mythe Si le bas des vitraux médiévaux s'est légèrement épaissi au fil des siècles, les physiciens pensent que le verre s'écoule sur une échelle de temps inconnue, probablement plusieurs milliards d'années, voire plus.

Si MBL s'avère instable, un système localisé à N corps sera au moins aussi durable que n'importe lequel de ces exemples. Il en sera de même pour les phénomènes quantiques qui dépendent des états MBL. Les cristaux temporels, par exemple, pourraient perdre leur désignation classique de « phases de la matière », mais ils seraient toujours capables de continuer à fonctionner bien plus longtemps que les ordinateurs quantiques qui les simulent (ou que les humains qui font fonctionner les ordinateurs, par exemple). cela importe). De nombreux universitaires se soucient profondément de la possibilité mathématique de vaincre la thermalisation en tant que belle question académique. Mais de nos jours, la plupart n’en perdent pas beaucoup le sommeil.

"Peut-être que c'était toujours des anges qui dansaient sur une tête d'épingle", a déclaré Chandran.

Au lieu de cela, Chandran et d’autres se sont réjouis de l’opportunité de découvrir un nouveau phénomène provoquant une thermalisation, que les physiciens pourraient réellement observer dans de petits systèmes.

En 2018, elle et son collaborateur Philip Crowley avaient cherché à comprendre pourquoi les petites chaînes semblaient se thermaliser lentement même si elles étaient beaucoup trop petites pour que des points plats apparaissent. Le duo a déterminé que des groupes de particules avaient parfois de la chance et empruntaient à un groupe voisin la quantité exacte d’énergie dont ils avaient besoin pour passer à une nouvelle configuration. Ils ont surnommé ces coïncidences « résonances » et ont observé comment elles avaient tendance à se propager de groupe en groupe, conduisant à une thermalisation prolongée dans des systèmes trop petits pour les avalanches. En 2020, ils ont montré que les résonances peuvent expliquer le décalage des exposants de 2015 et de nombreuses caractéristiques de poisson qui sont apparus dans les expériences numériques, des informations qui ont aidé Huse et sa société à mettre à jour le diagramme de phases pour les chaînes courtes en 2021.

Aujourd'hui, les physiciens croient que les résonances déstabilisent les chaînes modestes présentant un désordre comparable aux Rocheuses, tandis que les avalanches déstabilisent les chaînes plus longues présentant des niveaux de désordre plus élevés.

Alors que Chandran et d’autres améliorent leurs simulations et leurs expériences et explorent des chaînes plus longues et plus accidentées, ils se demandent ce qui pourrait bien se cacher dans l’Himalaya et au-delà.

"Il semble qu'il y ait d'autres phénomènes physiques là-dedans", a déclaré Huse. « Ce serait mieux pour moi. J’aime découvrir de nouvelles choses.

NDLR : Quelques chercheurs apparaissant dans cet article ont reçu un financement de la Fondation Simons, qui finance également ce magazine éditorialement indépendant. Les décisions de financement de la Fondation Simons n’ont aucune influence sur notre couverture. Plus de détails disponibles ici.