Des physiciens de Penn State ont découvert une réaction universelle dans les systèmes quantiques lorsqu’ils sont perturbés par un important afflux d’énergie. En utilisant des gaz unidimensionnels ultra-froids, ils ont pu observer de près cette réaction et la phase subséquente connue sous le nom d' »hydrodynamisation », fournissant ainsi un modèle pour comprendre des systèmes quantiques similaires. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
De nouvelles expériences avec des gaz atomiques ultra-froids mettent en lumière la façon dont tous les systèmes quantiques en interaction évoluent après un afflux soudain d’énergie.
De nouvelles expériences utilisant des gaz unidimensionnels d’atomes ultra-froids révèlent une universalité dans la manière dont les systèmes quantiques composés de nombreuses particules changent au fil du temps après un important afflux d’énergie qui déséquilibre le système. Une équipe de physiciens de Penn State a montré que ces gaz réagissent immédiatement, « évoluant » avec des caractéristiques communes à tous les systèmes quantiques à « nombreux corps » ainsi déséquilibrés. Un article décrivant les expériences a été publié le 17 mai 2023 dans la revue Nature.
« De nombreuses avancées majeures en physique au cours du siècle dernier ont concerné le comportement des systèmes quantiques comportant de nombreuses particules », a déclaré David Weiss, professeur distingué de physique à Penn State et l’un des responsables de l’équipe de recherche. « Malgré le nombre impressionnant de phénomènes à corps multiples, tels que la supraconductivité, la superfluidité et le magnétisme, on a découvert que leur comportement près de l’équilibre est souvent suffisamment similaire pour pouvoir être classé dans un petit ensemble de classes universelles. En revanche, le comportement des systèmes éloignés de l’équilibre n’a donné lieu qu’à peu de descriptions unificatrices de ce type ».
De nouvelles expériences avec des gaz atomiques ultra-froids révèlent une physique universelle dans la dynamique des systèmes quantiques. Yuan Le, étudiante diplômée de Penn State et premier auteur de l’article décrivant les expériences, se tient près de l’appareil qu’elle a utilisé pour créer et étudier des gaz unidimensionnels proches du zéro absolu. Crédit : David Weiss, Penn State
Ces systèmes quantiques à plusieurs corps sont des ensembles de particules, comme les atomes, qui sont libres de se déplacer les uns par rapport aux autres, explique David Weiss. Lorsqu’ils sont suffisamment denses et froids, ce qui peut varier en fonction du contexte, la mécanique quantique – la théorie fondamentale qui décrit les propriétés de la nature à l’échelle atomique ou subatomique – est nécessaire pour décrire leur dynamique.
Des systèmes radicalement hors d’équilibre sont régulièrement créés dans les accélérateurs de particules lorsque des paires d’ions lourds entrent en collision à des vitesses proches de celle de la lumière. Les collisions produisent un plasma – composé de particules subatomiques « quarks » et « gluons » – qui émerge très tôt dans la collision et peut être décrit par une théorie hydrodynamique – semblable à la théorie classique utilisée pour décrire l’écoulement de l’air ou d’autres fluides en mouvement – bien avant que le plasma n’atteigne l’équilibre thermique local. Mais que se passe-t-il dans le laps de temps étonnamment court qui précède l’application de la théorie hydrodynamique ?
Le processus physique qui se produit avant que l’hydrodynamique puisse être utilisée est appelé « hydrodynamisation », explique Marcos Rigol, professeur de physique à Penn State et autre responsable de l’équipe de recherche. « De nombreuses théories ont été élaborées pour tenter de comprendre l’hydrodynamisation dans ces collisions, mais la situation est très compliquée et il n’est pas possible de l’observer telle qu’elle se produit dans les expériences des accélérateurs de particules. En utilisant des atomes froids, nous pouvons observer ce qui se passe pendant l’hydrodynamisation ».
Les chercheurs de Penn State ont tiré parti de deux caractéristiques particulières des gaz unidimensionnels, qui sont piégés et refroidis à un niveau proche du zéro absolu par des lasers, afin de comprendre l’évolution du système après qu’il a été mis hors d’équilibre, mais avant que l’hydrodynamique ne puisse être appliquée. La première caractéristique est expérimentale. Les interactions dans l’expérience peuvent être soudainement interrompues à tout moment après l’influx d’énergie, de sorte que l’évolution du système peut être directement observée et mesurée. Plus précisément, les chercheurs ont observé l’évolution temporelle des distributions unidimensionnelles de quantité de mouvement après l’arrêt soudain de l’énergie.
« Les atomes ultra-froids dans les pièges fabriqués à partir de lasers permettent un contrôle et des mesures tellement exquis qu’ils peuvent vraiment éclairer la physique des corps multiples », a déclaré Weiss. « Il est étonnant que la même physique de base qui caractérise les collisions d’ions lourds relativistes, certaines des collisions les plus énergétiques jamais réalisées en laboratoire, se manifeste également dans les collisions beaucoup moins énergétiques que nous réalisons dans notre laboratoire. »
La deuxième caractéristique est théorique. Un ensemble de particules qui interagissent les unes avec les autres de manière complexe peut être décrit comme un ensemble de « quasiparticules » dont les interactions mutuelles sont beaucoup plus simples. Contrairement à la plupart des systèmes, la description des quasiparticules des gaz unidimensionnels est mathématiquement exacte. Elle permet de décrire très clairement pourquoi l’énergie est rapidement redistribuée dans le système après qu’il a été déséquilibré.
« Les lois physiques connues, y compris les lois de conservation, dans ces gaz unidimensionnels impliquent qu’une description hydrodynamique sera exacte une fois que cette évolution initiale aura eu lieu », a déclaré Rigol. « L’expérience montre que cela se produit avant que l’équilibre local ne soit atteint. L’expérience et la théorie fournissent donc ensemble un exemple de modèle d’hydrodynamisation. Étant donné que l’hydrodynamisation se produit si rapidement, la compréhension sous-jacente en termes de quasi-particules peut être appliquée à tout système quantique à nombreux corps auquel une très grande quantité d’énergie est ajoutée ».
Référence : « Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases » par Yuan Le, Yicheng Zhang, Sarang Gopalakrishnan, Marcos Rigol et David S. Weiss, 17 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9
Outre Weiss et Rigol, l’équipe de recherche de Penn State comprend Yuan Le, Yicheng Zhang et Sarang Gopalakrishnan. La recherche a été financée par la National Science Foundation des États-Unis. Les calculs ont été effectués au Penn State Institute for Computational and Data Sciences.