Des atomes ultrafroids manipulés par des lasers ont réalisé un état de Laughlin, un liquide quantique particulier où chaque atome danse autour de ses congénères. Crédit photo : Nathan Goldman
La découverte des effets Hall quantiques dans les années 1980 a révélé de nouvelles formes de matière appelées « états de Laughlin », du nom du lauréat américain du prix Nobel qui a réussi à les caractériser théoriquement.
Ces états exotiques apparaissent uniquement dans les matériaux bidimensionnels, dans des conditions de froid extrême et lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique très puissant. Dans un état de Laughlin, les électrons constituent un liquide inhabituel, où chaque électron danse autour de ses congénères tout en les évitant autant que possible.
L’excitation d’un tel liquide quantique génère des états collectifs que les physiciens associent à des particules fictives, dont les propriétés diffèrent radicalement de celles des électrons : ces « anyons » portent une charge fractionnelle (une fraction de la charge élémentaire) et défient de manière surprenante la classification standard des particules en termes de bosons ou de fermions.
Pendant de nombreuses années, les physiciens ont exploré la possibilité de réaliser des états de Laughlin dans d’autres types de systèmes que ceux offerts par les matériaux à l’état solide, en vue d’analyser plus avant leurs propriétés particulières. Cependant, les ingrédients nécessaires (la nature 2D du système, le champ magnétique intense, les fortes corrélations entre les particules) se sont révélés extrêmement difficiles à réunir.
Dans la revue Nature, une équipe internationale réunie autour du groupe expérimental de Markus Greiner à Harvard fait état de la première réalisation d’un état de Laughlin à l’aide d’atomes neutres ultrafroids manipulés par des lasers.
L’expérience consiste à piéger quelques atomes dans une boîte optique et à mettre en œuvre les ingrédients nécessaires à la création de cet état exotique : un fort champ magnétique synthétique et de fortes interactions répulsives entre les atomes.
Dans leur article, les auteurs révèlent les propriétés caractéristiques de l’état de Laughlin en visualisant les atomes un par un à l’aide d’un puissant microscope à gaz quantique. Ils démontrent la « danse » particulière des particules, qui orbitent les unes autour des autres, ainsi que la nature fractionnaire de l’état de Laughlin atomique réalisé.
Cette étape importante ouvre la voie à un vaste champ d’exploration des états de Laughlin et de leurs cousins (par exemple, l’état dit de Moore-Read) dans les simulateurs quantiques. La possibilité de créer, d’imager et de manipuler des anyons sous un microscope à gaz quantique est particulièrement attrayante, en vue d’exploiter leurs propriétés uniques en laboratoire.
Référence : « Realization of a fractional quantum Hall state with ultracold atoms » par Julian Léonard, Sooshin Kim, Joyce Kwan, Perrin Segura, Fabian Grusdt, Cécile Repellin, Nathan Goldman, et Markus Greiner, 21 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4