Une nouvelle théorie pour les systèmes qui défient la troisième loi de Newton

Le vol d’oiseaux peut également être considéré comme une rupture de symétrie : au lieu de voler dans des directions aléatoires, ils s’alignent comme les tours d’un aimant. Mais il y a une différence importante : une transition de phase ferromagnétique s’explique facilement en utilisant la mécanique statistique car c’est un système en équilibre.

Mais les oiseaux – et les cellules, les bactéries et les voitures dans la circulation – ajoutent une nouvelle énergie au système. « Parce qu’ils ont une source d’énergie interne, ils se comportent différemment », a déclaré Reichhardt. « Et parce qu’ils ne conservent pas l’énergie, elle surgit de nulle part, en ce qui concerne le système. »

Au-delà du quantique

Hanai et Littlewood ont commencé leur enquête sur les transitions de phase BEC en pensant aux transitions de phase ordinaires et bien connues. Considérez l’eau : même si l’eau liquide et la vapeur semblent différentes, a déclaré Littlewood, il n’y a fondamentalement aucune distinction de symétrie entre elles. Mathématiquement, au point de transition, les deux états sont indiscernables. Dans un système en équilibre, ce point est appelé point critique.

Des phénomènes critiques apparaissent partout, en cosmologie, en physique des hautes énergies et même dans les systèmes biologiques. Mais dans tous ces exemples, les chercheurs n’ont pas pu trouver un bon modèle pour les condensats qui se forment lorsque les systèmes de mécanique quantique sont couplés à l’environnement, subissant un amortissement et un pompage constants.

Hanai et Littlewood soupçonnaient que les points critiques et les points exceptionnels devaient partager certaines propriétés importantes, même s’ils provenaient clairement de mécanismes différents. « Les points critiques sont en quelque sorte une abstraction mathématique intéressante », a déclaré Littlewood, « où vous ne pouvez pas faire la différence entre ces deux phases. Exactement la même chose se produit dans ces systèmes de polaritons.

Ils savaient également que sous le capot mathématique, un laser – techniquement un état de la matière – et un BEC polariton-exciton avaient les mêmes équations sous-jacentes. Dans un article publié en 2019, les chercheurs ont relié les points, proposant un mécanisme nouveau et, surtout, universel par lequel des points exceptionnels donnent lieu à des transitions de phase dans les systèmes dynamiques quantiques.

« Nous pensons que c’était la première explication de ces transitions », a déclaré Hanai.

Vitelli et Michel Fruchart, également de l’Université de Chicago, se sont joints à Littlewood et Hanai pour étendre leurs travaux quantiques à tous les systèmes non réciproques, en utilisant le cadre mathématique de la théorie de la bifurcation et en relâchant les hypothèses habituelles sur le paysage énergétique.Photographie : Kristen Norman/Getty Images

À peu près au même moment, a déclaré Hanai, ils ont réalisé que même s’ils étudiaient un état quantique de la matière, leurs équations ne dépendaient pas de la mécanique quantique. Le phénomène qu’ils étudiaient s’appliquait-il à des phénomènes encore plus grands et plus généraux ? « Nous avons commencé à soupçonner que cette idée [connecting a phase transition to an exceptional point] pourrait également être appliqué aux systèmes classiques.

Mais pour chasser cette idée, ils auraient besoin d’aide. Ils ont approché Vitelli et Michel Fruchart, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Vitelli, qui étudient les symétries inhabituelles dans le domaine classique. Leurs travaux s’étendent aux métamatériaux, riches en interactions non réciproques ; ils peuvent, par exemple, présenter des réactions différentes à être pressés d’un côté ou de l’autre et peuvent également présenter des points exceptionnels.

Vitelli et Fruchart sont immédiatement intrigués. Un principe universel jouait-il dans le condensat de polaritons, une loi fondamentale sur les systèmes où l’énergie n’est pas conservée ?

Se synchroniser

Désormais un quatuor, les chercheurs ont commencé à chercher des principes généraux sous-tendant le lien entre la non-réciprocité et les transitions de phase. Pour Vitelli, cela signifiait penser avec ses mains. Il a l’habitude de construire des systèmes mécaniques physiques pour illustrer des phénomènes abstraits difficiles. Dans le passé, par exemple, il a utilisé des Legos pour construire des treillis qui deviennent des matériaux topologiques qui se déplacent différemment sur les bords qu’à l’intérieur.

« Même si ce dont nous parlons est théorique, vous pouvez le démontrer avec des jouets », a-t-il déclaré.