L’un des concepts les plus fondamentaux de la physique moderne est la brisure spontanée de symétrie. Lorsqu’un système subit une transition de phase vers un état ordonné, il doit choisir, apparemment au hasard, une configuration spécifique parmi un ensemble infini de possibilités équivalentes. Un ferromagnétique choisit une direction d’aimantation. Un cristal choisit une position pour son réseau. Et un condensat de Bose-Einstein, l’état de la matière dans lequel un nombre macroscopique de particules occupent le même état quantique, doit choisir une phase.
Ce moment de choix, l’émergence d’une phase globale à partir de rien, est central à la théorie BEC. Il a été prédit par Fritz London en 1938 et constitue un pilier de la physique de la matière condensée depuis lors. Mais il n’a jamais été observé directement dans le domaine temporel.
Aujourd’hui, des physiciens de l’Université RPTU Kaiserslautern-Landau en Allemagne, en collaboration avec un chercheur de l’Université du Colorado à Colorado Springs, ont filmé ce phénomène à l’intérieur d’un cristal d’yttrium-fer-grenat (YIG) à l’échelle millimétrique. Leurs résultats ont été publiés dans Nature Physics.
« Pour la première fois, nous sommes capables de mesurer directement l’émergence spontanée de la cohérence dans un condensat de magnons », a déclaré Malte Koster, premier auteur de l’étude. « Nous pouvons montrer que la phase du condensat est indépendante de toute source externe, prouvant ainsi la formation d’un véritable BEC. »
Les magnons comme plateforme BEC
Les magnons sont les quasi-particules quantiques des ondes de spin, excitations collectives de l’ordre magnétique dans un matériau. Ce sont des bosons, et dans les bonnes conditions, ils peuvent se condenser en un BEC, tout comme les atomes peuvent le faire dans un gaz refroidi par laser à des températures nanokelvin. La différence est que les BEC de magnons fonctionnent à température ambiante et à l’intérieur d’un cristal solide, ce qui les rend beaucoup plus accessibles pour les expériences.
Les chercheurs ont utilisé un film de YIG de 2,1 micromètres d’épaisseur, un grenat ferrimagnétique synthétique avec un amortissement magnétique exceptionnellement bas, le plus faible connu pour tout matériau magnétique. Ils ont pompé le film avec des impulsions micro-ondes de 1 microseconde à 7,8 gigahertz via une antenne microruban, en appliquant un champ magnétique de 281 milliteslas. Après chaque impulsion, les magnons du film se sont thermalisés par des processus de diffusion à quatre magnons et, lorsque la puissance de pompe a dépassé un seuil d’environ 21 dBm, se sont condensés en un état cohérent au bas du spectre des magnons.
L’innovation critique était la méthode de détection : un mélangeur IQ qui mesure la phase instantanée de l’aimantation en précession en un seul coup, sans moyenne sur les cycles. Cela préserve l’information de phase de chaque événement de condensation individuel.
La phase apparaît
Trois observations confirment la brisure spontanée de symétrie. Premièrement, la phase du condensat est uniformément distribuée entre 0 et 2π sur 1 000 séries expérimentales indépendantes. La phase de pompe est fixe, la même à chaque fois, mais la phase du magnon est aléatoire, prouvant qu’elle n’est pas imposée de l’extérieur.
Deuxièmement, l’apparition est abrupte. En dessous d’environ 21 dBm de puissance de pompe, aucune cohérence n’apparaît. Au-dessus de ce seuil, la métrique de cohérence passe brusquement à environ 0,9, une signature classique de transition de phase.
Troisièmement, une fois formé, le condensat maintient sa phase jusqu’à ce que la densité de magnons diminue en dessous du bruit de fond. Il n’y a pas de déphasage ; l’état est stable pendant toute sa durée de vie.
« C’est la confirmation irréfutable de la brisure de symétrie U(1) dans un BEC de quasi-particules », a déclaré Georg von Freymann, l’un des auteurs seniors. « La phase n’est déterminée ni par la pompe, ni par la géométrie, ni par le cristal. Elle est choisie spontanément, chaque fois de nouveau. »
Pourquoi c’est important
L’expérience comble un vide de longue date dans la physique des BEC. Des différences de phase spatiales avaient été observées dans des expériences d’interférence, et la cohérence de second ordre avait été mesurée indirectement. Mais l’observation directe, dans le domaine temporel, de l’émergence d’une phase globale à partir d’un état incohérent n’avait été réalisée pour aucun système BEC, qu’il soit atomique, à exciton-polariton ou à magnon.
Le résultat valide également que les BEC de quasi-particules obéissent à la même physique de cohérence fondamentale que les BEC atomiques, malgré le fait qu’ils soient des systèmes hors équilibre et dissipatifs. Cela a des implications pratiques : les BEC de magnons fonctionnent à température ambiante et aux fréquences micro-ondes, ce qui en fait des plateformes potentiellement utiles pour le traitement de l’information basé sur la phase et les dispositifs à supercourant magnonique.
Plusieurs réserves s’appliquent. Les BEC de magnons sont des condensats hors équilibre, ils n’existent que sous pompage continu, ce qui diffère des BEC atomiques à l’équilibre. La mesure est inductive, pas une mesure quantique directe de la fonction d’onde, et l’antenne agit comme un filtre spatial qui fait la moyenne sur le film. Néanmoins, l’observation est sans équivoque : la phase émerge de rien, choisie par le système lui-même.
Traduit par Lydie
Source: Koster, M., Schweizer, M.R., Noack, T. et al. “Emergence of phase coherence in a magnon Bose-Einstein condensate.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03373-6