Les physiciens ont gelé un « collier » d’atomes et ont été témoins d’un phénomène quantique prédit il y a 100 ans

Les « colliers » d’atomes ultrafroids ont fourni de nouvelles preuves à l’appui d’une théorie quantique vieille de près de 100 ans.

En 1931, les physiciens essayaient d’utiliser mécanique quantique pour expliquer pourquoi certains matériaux sont magnétiques. Puis, un jeune physicien nommé Hans Béthe a regardé une seule rangée d’électrons. Le spin de chaque électron peut pointer vers le haut ou vers le bas. Bethe a calculé le comportement d’une telle rangée et a découvert que si quelques tours dans la rangée se retournent, ils peuvent rester ensemble et parcourir la rangée comme une seule unité.

Des décennies plus tard, les physiciens ont découvert que la méthode fonctionne également pour les particules plus grosses se déplaçant le long d’une lignecomme les atomes. Si ces particules s’attirent, les calculs prédisent qu’elles se lieront en groupes appelés chaînes de Bethe.

Aujourd’hui, les physiciens ont trouvé des preuves de l’existence de ces amas dans une ligne d’atomes ultrafroids. Les résultats ont été publiés le 29 août dans la revue Communications naturelles.

La découverte ne crée peut-être pas de nouveaux gadgets, mais elle répond à un mystère fondamental de la physique. Tout ce qui nous entoure, des aimants aux puces téléphoniques, est constitué d’innombrables particules en interaction. Cela rend leur comportement difficile à prévoir. Les atomes ultrafroids constituent un moyen clair et ajustable d’étudier ces systèmes complexes.

Un « collier » d’atomes

Les chercheurs ont déjà repéré de petites cordes de Bethe, dans des cristaux magnétiques et des circuits quantiques supraconducteurs, mais ces expériences ont capturé les cordes une par une.

La théorie prédit que des foules de chaînes, de différentes tailles, peuvent modifier le comportement d’un système dans son ensemble, et étudier cette idée nécessite de créer plusieurs chaînes à la fois. Cela a été difficile à faire avec les atomes. Les atomes qui s’attirent s’effondrent généralement en un amas. Mais cette fois, l’équipe semble avoir fabriqué plusieurs chaînes de tailles différentes à la fois, dont certaines comportant plus de six atomes.

Il est difficile d’amener les atomes à s’attirer les uns les autres. En trois dimensions, un gaz constitué d’atomes attractifs a tendance à s’effondrer lorsque les atomes s’agglutinent et forment des molécules. Ce processus libère de l’énergie qui expulse les atomes de l’expérience, de sorte que le gaz s’effondre et disparaît rapidement. Mais lorsqu’ils sont sur une seule ligne, les atomes se comportent différemment.

« C’est vraiment un peu comme des perles sur un fil, non ? Comme sur un collier, elles ne peuvent pas passer », co-auteur de l’étude Hanns-Christoph Nägerlphysicien expérimental à l’Université d’Innsbruck, a déclaré à Live Science. « En 3D, tout s’effondrerait. Mais en 1D, ça ne s’effondrerait pas. »

Pour construire leurs « colliers », l’équipe a commencé avec des dizaines de milliers d’atomes de césium refroidis dans un Condensat de Bose-Einstein – un état de la matière dans lequel les atomes refroidis à un niveau proche du zéro absolu partagent un seul état quantique. Des faisceaux laser divisaient ensuite le condensat en milliers de tubes minces, chacun contenant jusqu’à quelques dizaines d’atomes alignés.

Au début, les atomes se repoussaient. Les chercheurs ont utilisé un champ magnétique pour réduire progressivement cette répulsion à zéro, puis l’ont transformée en attraction.

L’équipe ne pouvait pas voir les cordes directement. Au lieu de cela, ils ont laissé partir les atomes et ont mesuré la vitesse à laquelle le nuage se propageait. Lorsque les atomes ne pouvaient se dilater que le long de leurs tubes, toutes les cordes restaient intactes. Lorsque les atomes ont été libérés dans les trois dimensions, les cordes se sont brisées et ont libéré leur énergie de liaison sous forme de mouvement. Les chercheurs ont découvert que les nuages ​​3D se propageaient avec environ trois fois plus d’énergie que les nuages ​​unidimensionnels.

À partir de cette différence, l’équipe a estimé à quel point les atomes étaient étroitement liés. La réponse indiquait des chaînes d’au moins six atomes. Les mesures correspondaient également étroitement aux prédictions d’une théorie appelée hydrodynamique généraliséequi décrit un gaz comme celui-ci comme un fluide composé de nombreux types de particules, y compris des chaînes de différentes tailles. Il suit également la manière dont chaque type évolue dans le temps plutôt que de suivre chaque atome.

Nägerl s’est bien gardé d’appeler cela une preuve. « Le fait qu’une théorie s’adapte à vos données ne constitue pas une preuve que quelque chose existe », a-t-il déclaré ; c’est juste une preuve supplémentaire pour le soutenir.

Un état éphémère

Les cordes ne survivront probablement pas longtemps. De près, les atomes ressentent toujours le monde tridimensionnel et les cordes finissent par se désintégrer en molécules de césium ordinaires. Dans les essais les plus froids, l’équipe a perdu environ 40 % des atomes.

« Transitoirement, vous créez ces états de chaîne Bethe », a déclaré Nägerl. « Mais je ne pense pas qu’ils durent longtemps. »

Il a une idée pour de futures expériences. Les physiciens ont récemment appris à protéger les molécules ultra-froides avec des micro-ondes, ce qui empêche les molécules d’entrer en collision à courte distance. Les cordes fabriquées à partir de molécules protégées pourraient durer suffisamment longtemps pour être étudiées directement. Mais Nägerl a souligné que l’idée n’a pas encore été testée. « Personne n’a encore vérifié la théorie de mes affirmations, mais je pense qu’intuitivement, cela devrait fonctionner », a-t-il déclaré.

Une autre option est la microscopie quantique des gaz, qui image les atomes un par un et pourrait offrir une preuve plus directe de chaînes individuelles.

Pour Nägerl, les cordes de Bethe constituent une étape dans la compréhension du comportement et de la stabilisation des systèmes quantiques comportant de nombreuses particules au fil du temps. Son objectif à long terme est une expérience dans laquelle les physiciens contrôlent à la fois la façon dont chaque particule se déplace et comment sa rotation s’inverse, leur permettant d’assembler des matériaux modèles pièce par pièce, « comme un type LEGO », a-t-il déclaré. Son équipe a entamé la prochaine étape : utiliser des lasers pour contrôler les spins des atomes dans son gaz unidimensionnel. Il a décrit les cordes Bethe comme « une petite diversion ». Mais comme les cordes se forment chaque fois que les atomes s’attirent, elles ne peuvent être ignorées.