Thermalisation et localisation dans les systèmes à N corps: compréhension théorique et intêret experimental – THERMOLOC

La physique statistique permet de décrire le monde macroscopique à l’aide de simples lois qui ignorent les détails microscopiques. Avec peu de paramètres, tels que la température ou le potentiel chimique, l’évolution à temps longs des systèmes physiques peut être simplement appréhendée. D’un point de vue quantique cependant, cette question de la thermalisation représente un problème extrêmement complexe qui a généré une intense activité au cours des dernières années. En particulier le phénomène dit “many-body localization” (MBL) se penche sur la possibilité d’une absence de thermalisation en présence d’interactions et de désordre. De récents travaux théoriques ont clairement établi l’existence d’une phase MBL pour des modèles unidimensionnels, et ses premières signatures expérimentales ont été relevées dans des systèmes d’atomes froids ou d’ions piégés. Néanmoins, la question de la pertinence d’un régime MBL dans les systèmes de matière condensée assez largement demeure ouverte.

Notre projet aborde des questions théoriques fondamentales, telles que la nature de la phase MBL, l’existence d’une transition de phase au delà de une dimension, et cherche à identifier des signatures expérimentales dans des systèmes non-dissipatifs tels que les jonctions Josephson (JJ). À l’image des atomes froids, la physique des JJ peut être décrite par des Hamitoniens modèles, mais implique aussi de nouvelles difficultés intrinsèques aux dispositifs électroniques.

Notre objectif est aussi d’aller plus loin pour comprendre la pertinence de la physique MBL dans les systèmes dissipatifs hors d’équilibre tel que la polarisation dynamique nucléaire.

À l’aide des méthodes de la polarisation dynamique nucléaire, des composés vitreux contenant des impuretés paramagnétiques sont conduits, par irradiation micro-onde, vers un état stationnaire charactérisé par une forte polarisation des spins nucléaires. De tels échantillons hyper-polarisés représentent des sondes actives pour la RMN ayant un énorme impact biomédical pour le controle du métabolisme cellulaire. Cependant, malgré une importante implication au sein de la communauté RMN/IRM, une descrition théorique réaliste des mécanismes de la polarisation dynamique nucléaire font toujours défaut. Basé sur des évidences expérimentales, les spins irradiés en interactions se refroidissent jusqu’à un état thermodynamique caractérise par une faible température de spins. Quelles est l’origine microscopique de cette basse température? Comment la calculer? Récemment nous avons introduit un modèle de spins semblable aux modèles théoriques de la MBL, en particulier basés sur le désordre et les intercations. Nos résultats montrent que la température effective émerge sous irradiation micro-onde, et que son comportement est intimement relié à la tendance des spins à thermaliser ou localiser. La description émergente révèle une connexion inattendue entre la performance de la technique d’hyperpolarisation et la problématique de la MBL. La poursuite de cette direction permettra une modélisation complète de la polarisation dynamique nucléaire, en vue d’applications plus pratiques.

Le problème MBL représente un immense défi technique, l’évolution temporelle des systèmes quantiques en interaction restant l’un des problèmes fondamentaux non résolu. Dans un tel domaine compétitif, il est nécessaire de maitriser une large gamme d’outils pour attaquer les difficultés sous différents angles. C’est l’un des avantages clés de notre équipe, réunissant les expertises analytiques et numériques. Lors de ce programme, nous visons à débloquer les obstacles techniques à l’aide de méthodes analytiques et numériques spécifiques pour le problème MBL. En liens directs avec les analyses théoriques, notre ambition est de proposer des tests expérimentaux pour sonder la question de la thermalisation et de la localisation sur la réponse dynamique des systèmes quantiques. Ceci s’effectuera en collaboration étroite avec les équipes expérimentales.