Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par le Dr Niels Kjærgaard de l’Université d’Otago à Dunedin, en Nouvelle-Zélande, a utilisé des “pinces optiques” orientables pour diviser des nuages ultrafroids de potassium 40 (40K) et les écraser ensemble pour observer directement un principe clé de la mécanique quantique – le principe d’exclusion de Pauli.
Le principe d’exclusion de Pauli prédit une zone interdite le long d’un méridien du halo sphérique de particules diffusées, ce que les expériences ont effectivement dévoilé. La bande sombre du graphique montre une règle dérivée du principe en action. Cette règle est que des fermions indiscernables ne peuvent pas se disperser à 90 degrés par rapport à l’axe de collision. Crédit image : Niels Kjærgaard.
Le principe d’exclusion de Pauli a été proposé en 1925 par le physicien autrichien Wolfgang Pauli.
Il stipule que, dans un atome ou une molécule, deux électrons ne peuvent avoir des nombres quantiques identiques. Comme une orbitale ne peut contenir que deux électrons au maximum, ces deux électrons doivent avoir des spins opposés.
Ce principe est à la base de la structure et de la stabilité des atomes ainsi que des propriétés mécaniques, électriques, magnétiques et chimiques de presque tous les matériaux.
Kjærgaard et ses collègues des États-Unis, du Danemark et de la Nouvelle-Zélande ont utilisé des faisceaux laser contrôlés avec une extrême précision pour confiner, accélérer et faire entrer en collision des nuages atomiques ultrafroids de particules fermioniques. 40K.
Les nuages atomiques avaient une température d’à peine un millionième de degré Kelvin au-dessus du zéro absolu.
Le principe d’exclusion de Pauli prédit une zone interdite le long d’un méridien du halo sphérique de particules dispersées, ce que les expériences de l’équipe ont effectivement dévoilé.
Cette bande sombre résulte d’une règle de “non contournement” imposée par le principe, à savoir que des fermions indiscernables ne peuvent pas être diffusés à 90 degrés de l’axe de collision”, a déclaré le Dr Kjærgaard.
Lorsque le Dr Kjærgaard et ses co-auteurs ont examiné les données de plus près, ils ont constaté que, dans certaines conditions, les images des halos de diffusion des particules montraient en fait un déplacement latéral – la bande sombre était moins foncée.
“Ce n’est pas parce que la règle s’effondre soudainement, mais parce qu’il peut y avoir des situations où une particule se diffuse plusieurs fois avec de nouveaux axes de collision consécutifs”, a déclaré le Dr Kjærgaard.
“Cette découverte particulière a des implications importantes pour mieux comprendre les particularités des processus sous-jacents régissant la diffusion multiple des particules.”
Les scientifiques décrivent leurs résultats dans le numéro du 11 juillet du journal Nature Communications.
