La danse quantique des matériaux

Les propriétés de la matière changent lors des transitions de phase, par exemple lorsque l’eau devient de la glace. Des transitions plus exotiques surviennent lorsqu’une matière est refroidie à une température qui avoisine le zéro absolu (−273 °C). Les lois de la mécanique quantique entrent alors en jeu. Elles régissent le comportement des électrons et provoquent des transitions de phase inhabituelles déclenchées par le quantum plutôt que par les effets thermiques.

William Witczak-Krempa, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les transitions de phase quantique, ciblera dans le cadre de ses travaux de recherche ces transitions de phase quantique—obtenues en appliquant de la pression ou un champ magnétique au matériau—en modifiant certains éléments, tels que la composition chimique de celui-ci.

Sa recherche théorique expliquera les propriétés des matériaux lors de ces transitions, alors qu’émergent de nouveaux états de la matière. Un exemple remarquable est la supraconductivité, alors que les électrons forment des paires, un peu comme des danseurs, qui se déplacent sans résistance.

Les transitions mènent à des modèles « dansants » complexes où les électrons accrochent des partenaires éloignés, ce qui soulève des questions comme : « Quelles sont les caractéristiques essentielles des nombreux modèles dansants? » et « Comment pouvons-nous les exploiter pour améliorer la modélisation numérique? »

La recherche de M. Witczak-Krempa utilisera des méthodes analytiques et numériques novatrices qui empruntent des données pertinentes d’autres disciplines, par exemple l’information quantique et la théorie des cordes.

Tout comme les connaissances au sujet des transitions de phase ordinaires, comme la glace qui fond, sont importantes pour la société, les connaissances à propos de leurs contreparties quantiques deviennent elles aussi cruciales. Les résultats obtenus par M. Witczak-Krempa jetteront un nouvel éclairage sur des phénomènes cruciaux qui touchent les matériaux, comme la conductivité à haute température. Les applications possibles de ces matériaux vont du transport de l’électricité à faible coût à la dynamique des ordinateurs quantiques.

• Chaires de recherche du Canada (CRC)
• Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG)