L’Université d’État de Londrina est la seule institution du pays à développer des recherches sur des symétries généralisées, selon le professeur Pedro Rogério Sergi Gomes, du Département de Physique, et coordinateur d’un projet qui réunit plusieurs chercheurs. Les symétries généralisées constituent l’un des sujets les plus effervescents de la physique théorique contemporaine. Il s’agit des études qui représentent non seulement un avance dans la compréhension de la théorie quantique des champs, mais annoncent aussi la découverte des nouveaux aspects et de nouvelles applications. Dans sa troisième édition financiée par une bourse de productivité du CNPq (Conseil National de Développement Scientifique et Technologique), le projet de recherche, intitulé « Symétries généralisées en théorie des champs et en matière condensée », se consacre à un domaine de la physique ouverte depuis un peu plus d’une décennie. Le coordinateur, issu d’un parcours de recherche en théorie quantique des champs, s’est tourné vers la physique de la matière condensée afin d’étudier les symétries généralisées dans des phases exotiques de la matière.

Pour mieux comprendre, il est utile de comparer ces phases à des phases ordinaires de la matière, comme un fluide simple et un crystal. On peut distinguer ces phases en observant (au niveau microscopique) une petite portion du matériau. « Dans le cas d’un crystal, nous verrons une structure dans laquelle les atomes présentent une certaine organisation spatiale périodique, en conduisant à une notion d’ordre. En revanche, dans un fluide, les molécules sont en mouvement aléatoire constant, conduisant à une notion de désordre », explique le professeur.. Cette différence entre ordre et désordre peut être caractérisée quantitativement en termes de symétries. Le passage d’une phase désordonnée à une phase ordonnée (transition fluide-crystal) est connu comme brisure spontanée de symétrie.

Effet Hall

Des phases exotiques de la matière ont été découvertes à partir de l’étude de l’effet Hall quantique, qui consiste en un ensemble d’électrons se déplaçant sur une surface bidimensionnelle, sous l’action d’un champ magnétique intense et à basse température. Bien que la configuration physique soit simple, les phénomènes observés sont surprenants et reflètent le caractère intrinsèquement quantique du système. En particulier, l’effet Hall présente des phases qui ne peuvent pas être distinguées à travers des symétries, comme c’est le cas d’un fluide et d’un crystal. L’effet Hall répresente ainsi un nouveau état de la matière, que l’on peut considérer une sorte de « fluide quantique avec un ordre interne ».

Depuis lors, d’autres phases exotiques ont été mises en évidence, tant expérimentalement que théoriquement, comme des liquides quantiques de spin et les supraconducteurs topologiques. Plus récemment, un type encore plus inhabituel de phases exotiques, appelés phases fractoniques, a été découvert dans certains modèles théoriques. «Ces phases présentent des propriétés encore plus intrigantes, comme l’existence d’excitations totalement dépourvus de mouvement – les fractons. Dans certains modèles, les propriétés physiques dépendent d’une manière extrêmement sensible du nombre microscopique de constituants, ce qui n’est pas le cas de la matière ordinaire : un crystal ne modifie pas ses propriétés physiques lorsqu’on ajoute un atome supplémentaire », souligne le professeur.

Malgré leurs propriétés inhabituels, les scientifiques ont observé des régularités dans le comportement de ces phases de la matière, de sorte que leur caractérisation ne se fait pas au moyen de symétries ordinaires, mais en termes de symétries généralisées. De manière illustrative, une symétrie généralisée ne peut pas être détectée en observant uniquement une petite portion du système, mais seulement en considérant une région étendue dans une ou plusieurs dimensions. La découverte des symétries généralisées constitue l’un des principales avancées dans la compréhension des phases exotiques de la matière. Le professeur Gomes a d’ailleurs montré de nombreuses pages de calculs en visant à mieux comprendre les phases présentant des symétries fractales.

Convergence

L’un des aspects qui rendent ces recherches particulièrement intéressantes pour les scientifiques est le fait qu’elles conduisent à une convergence de plusieurs domaines de la physique, tels que la physique de la matière condensée, la théorie quantique des champs, l’informatique quantique et même les mathématiques. Á mesure que les connaissances progressent, d’autres domaines peuvent s’en rapprocher afin d’étudier cet objet selon leurs propres perspectives.

Le professeur Gomes rappelle que ce domaine de la physique a déjà produit des avancées remarquables depuis la découverte de l’effet Hall, reconnues notamment par l’attribution de plusieurs prix Nobel. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les recherches menées à l’UEL. Gomes évoque des propriétés physiques « exubérantes », au sens où elles ne s’inscrivent pas dans les cadres établis; défiant les chercheurs tout en suscitant leur fascination.

Publications et événements

Les recherches menées à l’Uel sont formalisées sous forme de publications scientifiques et des participations à des événements de grande importance. Depuis 2017, l’année du lancement de la première version du projet avec une bourse de productivité, deux à trois articles ont été publiés chaque année dans des revues internationales à fort impact et visibilité. Il convient de souligner que Pedro Gomes est l’auteur du premier article introductif sur les symétries généralisées publié en 2023 dans la revue SciPost. À l’instar des autres, ce travail a suscité un nombre significatif de citations.

La publication la plus récente est parue en janvier de cette année dans Physical Review B, revue dans laquelle le professeur Pedro Gomes publie régulièrement. En 2022, une autre étude, réalisée par un doctorant, a donné lieu à une invitation à un séminaire à l’Université Harvard. L’année dernière aussi, le coordinateur du projet a participé à un événement à Abu Dhabi, capitale des Émirats Arabes Unis.

Actuellement, le projet compte parmi ses membres les professeurs Paula Bienzobaz et Carlos Hernaski, du Département de Physique, une étudiante de licence (boursière d’initiation scientifique), deux étudiantes en master et quatre doctorants.

Tradução: Ana Louise Moreira, bolsista do Programa Paraná Fala Francês da UEL
Revisão : Suélen Maria Rocha, coordenadora Pedagógica do Programa Paraná Fala Francês da UEL

*Matéria originalmente publicada na Edição número 1432 de julho de 2024 do Jornal Notícia.