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Des particules en désordre se comportent comme du verre figé, mais pas toutes en même temps.
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Les glaçons dans un verre fondent et l'eau se mélange d'elle-même. C'est le comportement de nombreux systèmes quantiques : les particules échangent de l'énergie et, au bout d'un certain temps, l'ordre disparaît. Mais si l'on ajoute une cuillère de miel dans le verre, le mélange ralentit, et par grand froid, l'eau se fige en verre — sans réseau cristallin, mais aussi sans fluidité.
Les physiciens ont assemblé un réseau bidimensionnel de qubits supraconducteurs — de minuscules interrupteurs quantiques — et y ont introduit un désordre délibéré. Avec un faible désordre, les spins, c'est-à-dire les moments magnétiques des particules, se déplaçaient librement, comme des molécules dans de l'eau tiède. Mais lorsque le désordre a été renforcé, le système est passé dans un état intermédiaire : une partie des spins s'est figée, comme dans du verre, tandis que l'autre continuait de s'agiter. Cela se voit au fait que la probabilité de revenir à l'état initial diminuait lentement, selon une loi de puissance, et non rapidement comme dans un liquide ordinaire.
Dans le verre, les atomes se coincent dans des positions aléatoires au lieu de s'aligner en cristal. Ici, c'est la même chose, mais au niveau quantique : certains spins sont figés, d'autres non.
Il s'est avéré que dans ce régime, la diffusion des spins disparaît — ils cessent de s'étaler dans le système. En même temps, un paramètre d'ordre apparaît, généralement associé à la phase vitreuse. Cela signifie que les systèmes quantiques bidimensionnels peuvent présenter une transition d'une phase ergodique, où tout se mélange, vers une phase non ergodique, semblable à du verre.
Disorder in quantum many-body systems can drive transitions between ergodic and non-ergodic phases, yet the nature--and even the existence--of these transitions remains intensely debated. Using a two-dimensional array of superconducting qubits, we study an interacting spin model at finite temperature in a disordered landscape, tracking dynamics both in real space and in Hilbert space. Over a broad disorder range, we observe an intermediate non-ergodic regime with glass-like characteristics: physical observables become broadly distributed and some, but not all, degrees of freedom are effectively frozen. The Hilbert-space return probability shows slow power-law decay, consistent with finite-temperature quantum glassiness. In the same regime, we detect the onset of a finite Edwards-Anderson order parameter and the disappearance of spin diffusion. By contrast, at lower disorder, spin transport persists with a nonzero diffusion coefficient. Our results show that there is a transition out of the ergodic phase in two-dimensional systems.
Le verre n'est pas un liquide qui s'écoule très lentement. Ses atomes sont figés dans le désordre, comme une foule qui ne trouve pas la sortie d'une pièce.
