Concept d’artiste.
Les nouvelles observations enregistrent un passage clé du comportement classique au comportement quantique.
Le monde que nous connaissons est régi par la physique classique. La façon dont nous nous déplaçons, l’endroit où nous nous trouvons et la vitesse à laquelle nous allons sont tous déterminés par l’hypothèse classique selon laquelle nous ne pouvons exister qu’en un seul endroit à un moment donné.
Mais dans le monde quantique, le comportement des atomes individuels est régi par le principe étrange selon lequel l’emplacement d’une particule est une probabilité. Un atomepar exemple, a une certaine chance de se trouver à un endroit et une autre chance de se trouver à un autre endroit, au même moment exact.
Lorsque les particules interagissent, purement en raison de ces effets quantiques, une foule de phénomènes étranges devraient s’ensuivre. Mais l’observation d’un tel comportement purement mécanique quantique de particules en interaction au milieu du bruit écrasant du monde classique est une entreprise délicate.
Maintenant, MIT les physiciens ont directement observé l’interaction entre les interactions et la mécanique quantique dans un état particulier de la matière : un fluide tournant d’atomes ultrafroids. Les chercheurs ont prédit que, dans un fluide en rotation, les interactions domineront et amèneront les particules à présenter des comportements exotiques, jamais vus auparavant.
Tout comme la formation des phénomènes météorologiques sur Terre, un fluide de particules quantiques en rotation se décompose ici en un cristal formé de structures tourbillonnantes semblables à des tornades. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans une étude publiée le 5 janvier 2022 dans la revue Nature, l’équipe du MIT a fait tourner rapidement un fluide quantique d’atomes ultrafroids. Ils ont observé que le nuage d’atomes initialement rond s’est d’abord déformé en une fine structure en forme d’aiguille. Puis, au moment où les effets classiques devraient être supprimés, laissant uniquement les interactions et les lois quantiques dominer le comportement des atomes, l’aiguille s’est spontanément brisée en un motif cristallin, ressemblant à une série de tornades quantiques miniatures.
“Cette cristallisation est purement due aux interactions et nous indique que nous passons du monde classique au monde quantique”, déclare Richard Fletcher, professeur adjoint de physique au MIT.
Ces résultats constituent la première documentation directe et in situ de l’évolution d’un gaz quantique en rotation rapide. Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A. Frank au MIT, explique que l’évolution des atomes en rotation est largement similaire à la façon dont la rotation de la Terre crée des modèles météorologiques à grande échelle.
“L’effet de Coriolis qui explique l’effet de rotation de la Terre est similaire à la force de Lorentz qui explique le comportement des particules chargées dans un champ magnétique”, note Zwierlein. “Même en physique classique, cela donne lieu à la formation de motifs intrigants, comme des nuages s’enroulant autour de la Terre dans de magnifiques mouvements en spirale. Et maintenant, nous pouvons étudier cela dans le monde quantique”.
Les coauteurs de l’étude sont Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric Wilson et Valentin Crépel, tous affiliés au MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms et au Research Laboratory of Electronics du MIT.
Supports de filage
Dans les années 1980, les physiciens ont commencé à observer une nouvelle famille de matière connue sous le nom de fluides de Hall quantique, qui consiste en des nuages d’électrons flottant dans des champs magnétiques. Au lieu de se repousser mutuellement et de former un cristal, comme le prévoyait la physique classique, les particules ajustaient leur comportement à celui de leurs voisins, de manière corrélée et quantique.
“Les gens ont découvert toutes sortes de propriétés étonnantes, et la raison en était que, dans un champ magnétique, les électrons sont (classiquement) gelés sur place – toute leur énergie cinétique est éteinte, et ce qui reste, ce sont des interactions pures”, explique Fletcher. “Tout ce monde a donc émergé. Mais il était extrêmement difficile à observer et à comprendre.”
En particulier, les électrons dans un champ magnétique se déplacent dans de très petits mouvements qui sont difficiles à voir. Zwierlein et ses collègues ont pensé que, comme le mouvement des atomes sous rotation se produit à des échelles de longueur beaucoup plus grandes, ils pourraient être en mesure d’utiliser des atomes froids comme substituts des électrons et d’observer une physique identique.
“Nous nous sommes dit : faisons en sorte que ces atomes froids se comportent comme des électrons dans un champ magnétique, mais que nous puissions contrôler précisément”, explique Zwierlein. “Nous pourrons alors visualiser ce que font les atomes individuels, et voir s’ils obéissent à la même physique quantique.”
La météo dans un carrousel
Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont utilisé des lasers pour piéger un nuage d’environ 1,5 million d’euros.millions d’atomes de sodium, et ont refroidi les atomes à des températures d’environ 100 nanokelvins. Ils ont ensuite utilisé un système d’électro-aimants pour générer un piège afin de confiner les atomes, et ont fait tourner collectivement les atomes, comme des billes dans un bol, à environ 100 rotations par seconde.
L’équipe a pris des images du nuage avec une caméra, capturant une perspective similaire à celle d’un enfant faisant face au centre d’un manège de cour de récréation. Après environ 100 millisecondes, les chercheurs ont observé que les atomes tournaient en une longue structure en forme d’aiguille, qui atteignait une finesse quantique critique.
“Dans un fluide classique, comme la fumée de cigarette, la structure continuerait à s’amincir”, explique Zwierlein. “Mais dans le monde quantique, un fluide atteint une limite à la finesse qu’il peut avoir.”
“Lorsque nous avons vu qu’il avait atteint cette limite, nous avions de bonnes raisons de penser que nous frappions à la porte d’une physique quantique intéressante”, ajoute Fletcher, qui, avec Zwierlein, a publié les résultats obtenus jusqu’à présent dans un précédent article. Science paper. “La question était alors de savoir ce que ferait ce fluide mince comme une aiguille sous l’influence de la rotation et des interactions pures.”
Dans leur nouvel article, l’équipe a poussé son expérience une étape cruciale plus loin, pour voir comment le fluide en forme d’aiguille allait évoluer. Alors que le fluide continuait à tourner, ils ont observé qu’une instabilité quantique commençait à se manifester : L’aiguille s’est mise à osciller, puis à tourner en tire-bouchon, pour finalement se briser en une série de gouttes rotatives, ou tornades miniatures – un cristal quantique, résultant uniquement de l’interaction entre la rotation du gaz et les forces entre les atomes.
“Cette évolution est liée à l’idée qu’un papillon en Chine peut créer une tempête ici, en raison des instabilités qui déclenchent des turbulences”, explique M. Zwierlein. “Ici, nous avons une météo quantique : Le fluide, du seul fait de ses instabilités quantiques, se fragmente en cette structure cristalline de petits nuages et tourbillons. Et c’est une percée de pouvoir observer directement ces effets quantiques.”
Référence : “Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas” par Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric C. Wilson, Valentin Crépel, Richard J. Fletcher et Martin Zwierlein, 5 janvier 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04170-2
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research, l’Office of Naval Research, le Vannevar Bush Faculty Fellowship, et le Vannevar Bush Faculty Fellowship. DARPA.
