Un topologue prédit une nouvelle forme de matière

En 1970, un jeune physicien travaillant en Union soviétique a fait une prédiction contre-intuitive. Vitaly Efimov, maintenant à l'Université de Washington aux États-Unis, a montré que les objets quantiques qui ne peuvent pas former des paires peuvent néanmoins former des triplets.

En 2006, un groupe en Autriche a trouvé le premier exemple d'un tel état dit Efimov dans un gaz froid d'atomes de césium.

C'est déroutant. Les liens qui unissent les triplets sont sûrement les mêmes que ceux qui lient les paires. En fait non! Il s'avère qu'il existe une différence subtile mais importante qui rend ces liens complètement différents.

Aujourd'hui, Nils Baas de l'Université norvégienne des sciences et technologies fait une autre prédiction surprenante. Il dit que les liaisons étranges et surnaturelles qui permettent aux atomes de césium de se coller ensemble en triplets devraient également permettre la formation d'objets beaucoup plus complexes. En fait, il dit que nous sommes sur le point de découvrir une toute nouvelle forme de matière régie par une toute nouvelle branche de la physique.

Derrière ce résultat étrange se cache une branche des mathématiques appelée topologie, l'étude de la forme. La topologie s'intéresse en particulier aux propriétés de forme qui sont conservées lorsqu'un objet est pressé, étiré et matraqué, mais pas déchiré.

Un exemple utile à considérer est le célèbre anneau borroméen illustré ci-dessus à gauche. Il se compose de trois cercles entrelacés de telle manière que couper l'un libère les deux autres.

Un point clé ici est que les cercles dans un plan plat à 2 dimensions ne peuvent pas former un anneau borroméen. Mais introduisez une troisième dimension et tout d'un coup les cercles peuvent être liés de cette manière. Bien sûr, tout flatlander vivant dans cet avion 2D serait complètement embobiné par cette propriété.

Il s'avère qu'il existe une analogie mathématique formelle entre l'anneau borroméen et les étranges triplets de césium qu'Efimov a prédits. Les mathématiques de la mécanique quantique et de la topologie s'avèrent être les mêmes.

Mais voici le problème : les liens qui émergent de la topologie de la mécanique quantique sont entièrement surnaturels. Alors que la matière ordinaire, la matière sur laquelle vous frappez les doigts, est clairement confinée à trois dimensions, les mathématiques de la mécanique quantique existent dans un ensemble de dimensions entièrement différent. Et c'est dans cet espace que se forment les anneaux borroméens.

Le résultat est une sorte de physique parallèle, dans laquelle les lois régissant le comportement dans cet univers parallèle exercent une emprise fantomatique inéluctable sur notre propre univers.

Et ce ne sont pas seulement les liaisons entre les atomes qui sont effectuées. Les physiciens commencent à construire des conducteurs et des isolants dans lesquels le mouvement des électrons est régi par la topologie de la mécanique quantique. Les isolants dits topologiques sont actuellement un sujet important en physique du solide.

Et la topologie est sur le point d'étendre son influence, si Baas le veut. Il souligne que les anneaux borroméens ne sont que l'exemple le plus simple d'un tableau périodique complet de structures topologiques. Et s'il est possible de faire des états d'Efimov équivalents aux anneaux borroméens, alors il devrait être possible de faire les autres aussi.

Cette famille de choses sera un nouvel état de la matière régi par de nouvelles règles, une sorte de physique Efimov.

Comment ce truc peut-il se comporter ? Ce n'est pas encore clair, mais Baas soulève une possibilité intéressante. Le lien profond et surnaturel entre les particules dans les états d'Efimov est remarquablement similaire à l'intrication quantique.

Personne ne sait vraiment s'ils sont identiques, mais s'ils le sont, la physique d'Efimov fournira une nouvelle façon de penser à l'intrication et à la manière de la générer et de l'exploiter. Cela aura des implications importantes pour la cryptographie, l'informatique et les sciences de l'information en général.

Le physicien Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel, a déclaré un jour : Tout ce qui n'est pas interdit est obligatoire. Il faisait référence à la façon dont les particules interagissent en mécanique quantique. En d'autres termes, s'il n'y a aucune raison pour que les particules ne puissent pas interagir d'une certaine manière, alors elles doivent interagir de cette manière.

Il semble que nous soyons sur le point de voir à quel point cette déclaration était profonde et de grande envergure.

Réf : arxiv.org/abs/1012.2698 : Nouveaux états de la matière suggérés par de nouvelles structures topologiques

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