24/10/2011 - Des chercheurs de l'Institut Max Planck ont obtenu des images de fluctuations quantiques près du zéro absolu de température.

Menéame

Il y a des systèmes physiques qui fluctuent continuellement d’une certaine manière. Ainsi, par exemple, les molécules d’un gaz se déplacent erratiquement, les dipoles magnétiques d’un matériau aussi bien. Ces fluctuations sont généralement liées à la température. Plus la température sera élevée, plus il y aura de agitation. Si on baisse la température d’un système, ces fluctuations diminuent. Dans un système classique, on s’attendrait à ce que, lorsque l’on atteindrait le zéro absolu de température, ces fluctuations disparaissent. Mais la réalité microscopique est quantique, pas classique. Il y a des fluctuations d’origine quantique qui ne disparaissent pas dans le zéro absolu.

Jusqu'à présent seulement la température s’oppose à ce que les bits du disque dur de notre ordinateur changent de 1 à 0 ou vice versa, mais les bits sont de plus en plus petits et il arrivera un jour où les fluctuations quantiques sont importantes. Alors, même si nous rafraîchirons beaucoup le système et faisons disparaître les fluctuations thermiques, l’information stockée de cette façon pourrait simplement disparaître sous l’action des fluctuations quantiques.

Les fluctuations quantiques ne sont donc pas une simple curiosité et ont un effet sur de nombreux systèmes. Dans ce cas, nous allons voir le rôle qu’ils jouent dans un type de transitions de phase quantiques.

Maintenant des chercheurs de l’Institut Max Planck dirigés par Stefan Kuhr ont réussi à obtenir des images de fluctuations quantiques près du zéro absolu de température (à environ 273 degrés centigrades sous zéro).

Il est évident qu’une telle chose ne peut pas être observée avec un microscope conventionnel, car les atomes ou molécules sont beaucoup plus petits que la longueur d’onde de la lumière visible. Mais grâce à une série de tours, ces chercheurs peuvent connaître leur emplacement et reconstruire une image du système.

On n’a pas non plus utilisé de matériau conventionnel, mais des atomes de blond ultra-friends pris dans un réseau optique qui forment une espèce "verre gazeux unidimensionnel."

Ils ont pu obtenir des images de corrélations entre paires creux-particules de ce gaz ultra froid, ce qui leur a permis d’étudier l’ordre caché de ce système et de caractériser les différentes phases de ce gaz quantique. Ces mesures ouvrent de nouvelles voies pour caractériser des phases quantiques nouvelles de la matière.

L’ensemble d’atomes ultra-froides de rubidius est soumis à des faisceau de lumière alignés spécialement conçus pour imposer des restrictions à ces atomes et les attraper selon un modèle ou une formation donné fait avec des régions de lumière brillantes et sombres. Disons que la lumière crée un "prisonnier" pour les atomes avec des cellules d’une qualité équivalente.

Les atomes se déplacent le réseau lumineux de la même manière que les électrons dans le réseau cristalline d’un solide. Selon qu’ils peuvent se déplacer d’une manière ou d’une autre, les électrons fournissent les propriétés électriques du solide, comme sa conductivité. L’avantage d’un système d’atomes ultra-frois comme celui décrit est qu’il est soumis à la manipulation et que nous pouvons même utiliser un certain nombre de dimensions spatiales.

Les gaz quantiques unidimensionnels peuvent se comporter à basse température comme un superflu ou comme un "isolant."

Dans ce cas particulier, la hauteur du potentiel joue un rôle important, qui est de déterminer si un atome est fixé à un endroit spécifique du réseau ou si il peut être déplacé vers le site voisin. À de grandes profondeurs du réseau (nous parlons dans ce cas de potentiels pas de distances), chaque site est occupé par exactement un atome. Ce système hautement ordonné est appelé l’isolation de Mott en l’honneur du prix Nobel Neville Mott. Lorsque la profondeur du potentiel diminue légèrement, les atomes qui ont assez d’énergie peuvent être déplacés vers le site voisin grâce à l’effet tunnel quantique. De cette manière, des paires de trous (sites du réseau vides d’atomes) et des emplacements occupés à double usage sont formés. Cela forme des paires creux-particules. Ce qui est intéressant, c’est qu’en tant que système quantique, cet effet peut être donné à la température zéro grâce aux fluctuations quantiques, alors que selon la physique classique, tout mouvement devrait s’arrêter. La position des paires creux-particules interconnectées dans le verre est complètement indéterminée et est fixée seulement sous le processus de mesure.

Dans des expériences récentes, ces chercheurs avaient déjà développé la méthode qui leur permettait de visualiser la position de chaque atome dans le réseau de lumière. Les atomes sont refroidis grâce à des lasers et les photons de fluorescence émis dans le processus sont utilisés pour les localiser grâce à un microscope à haute résolution.

Les trous sont montrés avec cette technique comme des endroits sombres et aussi les deux fois occupés, car les deux particules de cet emplacement s’interfèrent entre elles et se jettent mutuellement du filet. Par conséquent, avec cette technique, les paires creux-particules apparaissent comme deux points sombres l’un à côté de l’autre.

Manuel Endres, l’un des étudiants impliqués dans le projet, est enthousiaste par l’expérience et dit que cette technique permet d’observer directement pour la première fois ce phénomène quantique fondamental.

Ces physiciens mesurent le nombre de paires creux-particules à travers une fonction de corrélation. Si l’on augmente le volume de particules de la métrologie, on observe un effet tunnel dans une cellule voisine et cette fonction de corrélation augmente. Cependant, quand le nombre de paires creux-particules est très grand, il devient difficile de les identifier sans ambiguïté et la fonction de corrélation prend de petites valeurs. Finalement, l’état ordonné d’isolation de Mott disparaît complètement et le gaz quantique se transforme en un superflu. Ici, les fluctuations des trous et des particules sont données indépendamment. La fonction de corrélation mesurée dans l’expérience est très bien reproduite par les calculs dans le modèle.

Curieusement, les mêmes recherches sur les gaz quantiques bidimensionnels ont clairement montré que les fluctuations quantiques n’étaient pas aussi importantes que dans les systèmes unidimensionnels.

Les chercheurs ont également étendu l’analyse aux corrélations vers plusieurs sites le long d’une rangée. Ces corrélations non locales contiennent des informations importantes sur le système de nombreux corps sous-jacents et peuvent être utilisées comme paramètre d’ordre pour caractériser les différentes phases quantiques du système. Le concept de paramètre d’ordre est fondamental dans l’étude des transitions de phase. Dans l’expérience décrite, les paramètres d’ordre non local ont été mesurés pour la première fois.

À l’avenir, ce groupe prévoit d’utiliser ces mesures pour détecter les phases quantiques topologiques. Celles-ci peuvent être utiles pour la construction d’ordinateurs quantiques robustes et pourraient aider à comprendre la température à haute température.

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