Un nouveau « spin » sur la rupture d’ergodicité

Dans un récent Science article, des chercheurs dirigés par JILA et NIST Fellow Jun Ye, ainsi que des collaborateurs JILA et NIST Fellow David Nesbitt, des scientifiques de l’Université du Nevada, de Reno et de l’Université de Harvard, ont observé une nouvelle rupture d’ergodicité dans C60, une molécule hautement symétrique composée de 60 atomes de carbone disposés sur les sommets d’un motif « ballon de football » (avec 20 faces hexagonales et 12 faces pentagonales).

Leurs résultats ont révélé une rupture d’ergodicité dans les rotations de C60. Remarquablement, ils ont découvert que cette rupture d’ergodicité se produit sans rupture de symétrie et peut même s’activer et se désactiver lorsque la molécule tourne de plus en plus vite. Comprendre la rupture d’ergodicité peut aider les scientifiques à concevoir des matériaux mieux optimisés pour le transfert d’énergie et de chaleur.

De nombreux systèmes quotidiens présentent une « ergodicité », telle que la chaleur se propageant dans une poêle à frire et la fumée remplissant une pièce. En d’autres termes, la matière ou l’énergie se propage uniformément dans le temps à toutes les parties du système, dans la mesure où la conservation de l’énergie le permet. D’autre part, comprendre comment les systèmes peuvent violer (ou « casser ») l’ergodicité, comme les aimants ou les supraconducteurs, aide les scientifiques à comprendre et à concevoir d’autres états exotiques de la matière.

Dans de nombreux cas, la rupture d’ergodicité est liée à ce que les physiciens appellent la « rupture de symétrie ». Par exemple, les moments magnétiques internes des atomes dans un aimant pointent tous dans une direction, soit « vers le haut », soit « vers le bas ». Bien que possédant la même énergie, ces deux configurations distinctes sont séparées par une barrière énergétique.

La « rupture de symétrie » fait référence au système supposant une configuration avec une symétrie inférieure à ce que les lois physiques régissant son comportement permettraient, comme tous les moments magnétiques pointant « vers le bas » comme état par défaut. Dans le même temps, puisque l’aimant s’est définitivement installé dans une seule des deux configurations à énergie égale, il a également rompu l’ergodicité.

Briser la symétrie : aimants et ballons de football

Pour comprendre la rupture de l’ergodicité rotationnelle, le chercheur postdoctoral et auteur principal, Lee Liu a expliqué : « Considérez un ballon de football lancé dans une spirale serrée dans le sens des aiguilles d’une montre. configuration basse énergie de 90 degrés à une configuration de 180 degrés. Ceci est illustré dans les figures 1B et 1C. Cela nécessiterait de surmonter une barrière d’énergie. Ainsi, un ballon de football en spirale maintient son orientation de bout en bout en vol libre, brisant l’ergodicité et symétrie comme le fait un aimant. »

Cependant, contrairement aux ballons de football, les molécules isolées doivent obéir aux règles de la mécanique quantique. Plus précisément, les deux extrémités d’une molécule d’éthylène (un analogue quantique d’un ballon de football) sont indiscernables. Ainsi, réorienter une molécule d’éthylène en rotation à 180 degrés d’un bout à l’autre implique également de surmonter une barrière énergétique; les états initial et final sont indiscernables. La molécule n’a pas le choix entre deux orientations distinctes de bout en bout, et la symétrie et l’ergodicité sont restaurées, ce qui signifie que l’état fondamental de la molécule est une combinaison, ou la superposition, des états final et initial.

Spectroscopie infrarouge de C60

Pour sonder la dynamique rotationnelle de la molécule C60, les chercheurs se sont tournés vers une technique mise au point par le groupe Ye en 2016 : combiner le refroidissement du gaz tampon avec la spectroscopie infrarouge à cavité sensible. En utilisant cette technique, les chercheurs ont mesuré le spectre infrarouge du C60 avec une sensibilité 1000 fois plus élevée que celle obtenue précédemment. Il s’agissait de faire briller la lumière laser sur les molécules de C60 et «d’écouter» les fréquences de lumière qu’elles absorbent.

« Tout comme le son d’un instrument peut vous renseigner sur ses propriétés physiques, les fréquences de résonance moléculaire, codées dans son spectre infrarouge, peuvent nous renseigner sur la structure et la dynamique de rotation de la molécule », a déclaré Liu. Plutôt que de faire tourner physiquement la molécule de plus en plus vite, les chercheurs ont sondé un échantillon en phase gazeuse de nombreuses molécules de C60 dans lesquelles certaines tournaient rapidement et d’autres lentement. Le spectre infrarouge résultant contenait des instantanés de la molécule à différentes vitesses de rotation.

« L’assemblage de ces traces ensemble a généré le spectre complet, dévoilant l’image complète de l’évolution (ou de la rupture) de l’ergodicité de la molécule », a expliqué Dina Rosenberg, chercheuse postdoctorale dans le groupe de Ye.

Grâce à ce processus, les chercheurs ont découvert un comportement étonnant du C60 : le faire tourner à 2,3 GHz (milliards de rotations par seconde) le rend ergodique. Cette phase ergodique persiste jusqu’à 3,2 GHz lorsque la molécule casse l’ergodicité. Au fur et à mesure que la molécule tourne plus vite, elle redevient ergodique à 4,5 GHz. Ce comportement de commutation particulier a surpris les chercheurs, car les transitions d’ergodicité ne se produisent généralement que lorsque l’énergie augmente et dans une seule direction. Curieuse, l’équipe a plongé plus loin dans le spectre pour comprendre d’où venait ce comportement.

Rupture d’ergodicité – football quantique, frisbee et soccer

En analysant le spectre infrarouge, les chercheurs ont pu déduire les déformations de la molécule induites par sa rotation. « Tout comme les pneus des voitures de course de dragsters gonflent davantage lorsqu’ils tournent à un rythme plus rapide, le taux de rotation du C60 dicte sa déformation structurelle. Les spectres infrarouges impliquent que deux possibilités se produisent lorsque le taux de rotation du C60 atteint 2,3 GHz : il peut s’aplatir en un frisbee façonner ou s’allonger en forme de ballon de football », a déclaré Liu.

« Le premier se produit s’il tourne autour d’un pentagone, et le second s’il tourne autour d’un hexagone. Lorsque C60 atteint 3,2 GHz, les rotations hexagonales et pentagonales entraînent une déformation semblable à celle d’un ballon de football. À 4,5 GHz, la rotation hexagonale génère un frisbee- comme une déformation tandis que la rotation pentagonale génère une déformation semblable à celle d’un ballon de football. »

Il s’avère que les transitions d’ergodicité particulières de C60 pourraient être entièrement attribuées à cette séquence de déformations induites par la rotation de la molécule.

Rompre l’ergodicité mais pas la symétrie

Dans la phase gazeuse, les molécules de C60 se heurtent si rarement qu’elles se comportent comme si elles étaient isolées, ce qui signifie que l’indiscernabilité de chaque atome de carbone dans le C60 devient importante. Par conséquent, faire tourner la molécule autour de n’importe quel pentagone équivaut à la faire tourner autour de n’importe quel autre pentagone. De même, faire tourner la molécule autour de n’importe quel hexagone équivaut à la faire tourner autour de n’importe quel autre hexagone.

Tout comme dans l’éthylène, l’indiscernabilité quantique des atomes de carbone du C60 restaure la symétrie des secteurs de rotation pentagonaux et hexagonaux. Néanmoins, les données des chercheurs ont montré que l’axe de rotation de la molécule ne commutait jamais entre les secteurs.

Les données ont montré deux raisons à cet isolement en rotation autour d’un seul axe. À des taux de rotation inférieurs à 3,2 et supérieurs à 4,5 GHz, les secteurs de rotation pentagonaux et hexagonaux sont isolés en raison de la conservation de l’énergie. « Il faut plus d’énergie pour faire tourner un ballon de football qu’un frisbee [due to its mass] », a déclaré Liu. Dans cette gamme, les molécules C60 sont ergodiques car les secteurs pentagonaux et hexagonaux explorent tous les états possibles dans des gammes d’énergie distinctes, tout comme dans le cas de l’éthylène.

Aux taux de rotation entre 3,2 et 4,5 GHz, des secteurs pentagonaux et hexagonaux existent dans la même gamme d’énergie. « C’est parce que faire tourner un ballon de football hexagonal et pentagonal peut nécessiter la même quantité d’énergie », a déclaré Liu.

« Néanmoins, C60 ne parvient toujours pas à basculer entre les deux secteurs de rotation à cause d’une barrière d’énergie – la même barrière qui empêche un ballon de se retourner en plein vol. Dans ce régime, par conséquent, C60 a rompu l’ergodicité sans rompre la symétrie. Ce mécanisme de rupture d’ergodicité sans rupture de symétrie, qui peut être compris simplement en termes de déformations d’une molécule en rotation, nous a totalement surpris. »

Ces résultats révèlent un exemple rare de rupture d’ergodicité sans rupture de symétrie, donnant un aperçu supplémentaire de la dynamique quantique du système.

Comme le supposent les chercheurs, de nombreuses autres espèces moléculaires attendent une enquête détaillée à l’aide de la nouvelle technique de l’équipe. « Les molécules recèleront probablement de nombreuses autres surprises, et nous sommes ravis de les découvrir. »