Une équipe de scientifiques a doublé le potentiel de manipulation des gaz atomiques froids, créant ainsi un nouveau type de matière. Cette avancée pourrait faire progresser la technologie quantique en stimulant les « ondes de densité » dans un gaz spécialement préparé. Illustration d’une onde de densité. Réalisée par Harald Ritsch. Crédit : Université d’Innsbruck/EPFL
Des chercheurs de l’EPFL ont découvert une nouvelle façon de créer une structure cristalline appelée « onde de densité » dans un gaz atomique. Cette avancée peut nous aider à mieux comprendre le comportement de la matière quantique, l’un des problèmes les plus complexes de la physique.
Les gaz atomiques froids étaient connus dans le passé pour leur capacité à « programmer » les interactions entre les atomes », explique le professeur Jean-Philippe Brantut de l’EPFL. « Notre expérience double cette capacité ! En collaboration avec le groupe du professeur Helmut Ritsch de l’université d’Innsbruck, ils ont réalisé une percée qui peut avoir un impact non seulement sur la recherche quantique, mais aussi sur les technologies basées sur le quantique à l’avenir.
Sommaire
Ondes de densité
Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre comment les matériaux s’auto-organisent en structures complexes, telles que les cristaux. Dans le monde souvent obscur de la physique quantique, cette sorte d’auto-organisation des particules est observée dans les « ondes de densité », où les particules s’arrangent pour former un motif ou un « ordre » régulier et répétitif, comme un groupe de personnes portant des chemises de couleurs différentes qui se tiennent en ligne, mais dans un motif où aucune personne portant une chemise de la même couleur ne se tient l’une à côté de l’autre.
Les ondes de densité sont observées dans divers matériaux, notamment les métaux, les isolants et les supraconducteurs. Toutefois, leur étude s’est avérée difficile, en particulier lorsque cet ordre (les motifs des particules dans l’onde) se produit avec d’autres types d’organisation tels que la superfluidité – une propriété qui permet aux particules de s’écouler sans résistance.
Il convient de noter que la superfluidité n’est pas seulement une curiosité théorique ; elle présente un immense intérêt pour le développement de matériaux aux propriétés uniques, comme la supraconductivité à haute température, qui pourrait conduire à un transfert et à un stockage plus efficaces de l’énergie, ou pour la construction d’ordinateurs quantiques.
Accorder un gaz de Fermi avec la lumière
Pour explorer cette interaction, Brantut et ses collègues ont créé un « gaz de Fermi unitaire », un gaz mince d’atomes de lithium refroidis à des températures extrêmement basses et où les atomes entrent très souvent en collision les uns avec les autres.
Les chercheurs ont ensuite placé ce gaz dans une cavité optique, un dispositif utilisé pour confiner la lumière dans un petit espace pendant une période prolongée. Les cavités optiques sont constituées de deux miroirs orientés l’un vers l’autre qui réfléchissent la lumière entrante des milliers de fois entre eux, ce qui permet aux particules de lumière, les photons, de s’accumuler à l’intérieur de la cavité.
Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé la cavité pour faire interagir les particules du gaz de Fermi sur de longues distances : un premier atome émet un photon qui rebondit sur les miroirs, puis est réabsorbé par un deuxième atome du gaz, quelle que soit la distance qui le sépare du premier. Lorsque suffisamment de photons sont émis et réabsorbés – ce qui est facile à régler dans l’expérience – les atomes s’organisent collectivement en un modèle d’onde de densité.
« La combinaison d’atomes entrant directement en collision les uns avec les autres dans le gaz de Fermi, tout en échangeant simultanément des photons sur une longue distance, constitue un nouveau type de matière où les interactions sont extrêmes », déclare Brantut. « Nous espérons que ce que nous y verrons améliorera notre compréhension de certains des matériaux les plus complexes rencontrés en physique. »
Référence : « Density-wave ordering in a unitary Fermi gas with photon-mediated interactions » par Victor Helson, Timo Zwettler, Farokh Mivehvar, Elvia Colella, Kevin Roux, Hideki Konishi, Helmut Ritsch et Jean-Philippe Brantut, 24 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06018-3
L’étude a été financée par le programme-cadre Horizon 2020 et le Fonds national suisse pour l’encouragement de la recherche scientifique.