Le gaz quantique ultrafroid révèle des informations sur la turbulence des ondes

Alors que pour les systèmes physiques en équilibre, la thermodynamique est un outil inestimable pour faire des prédictions sur leur état et leur comportement sans avoir besoin d’accéder à de nombreux détails, trouver des descriptions aussi générales et concises de systèmes hors équilibre est un défi ouvert. Un exemple paradigmatique de systèmes hors équilibre sont les systèmes turbulents, qui sont omniprésents dans les environnements naturels et synthétiques, du flux sanguin aux avions. La turbulence des vagues, en particulier, est connue pour être un problème très difficile, difficile à calculer et difficile à mesurer, car des ondes de tant de longueurs d’onde différentes sont impliquées.

Désormais, des scientifiques basés à l’Université de Cambridge ont pu faire des progrès en explorant la turbulence des ondes à travers un gaz quantique ultrafroid. Le point central de cette enquête est le condensat de Bose-Einstein (BEC), un état de la matière atteint lorsque le gaz est refroidi à des températures proches du zéro absolu. Ce gaz quantique, contenu dans un “récipient” généré par laser dans le vide, a été soumis à des vibrations contrôlées, générant une cascade d’ondes apparentées à des fractales appelée cascade turbulente. Comme le BEC est continuellement secoué, il atteint un état stable qui a une forme de cascade complètement différente des états d’équilibre.

Ce qui distingue cette recherche est sa capacité à explorer et à mesurer systématiquement les propriétés des cascades turbulentes et à construire expérimentalement une équation d’état (EoS) pour celle-ci, une entreprise qui est restée insaisissable dans d’autres systèmes hors équilibre. Les découvertes publiées dans Nature élucider comment, en faisant varier l’apport d’énergie à travers les vibrations, les caractéristiques de l’état turbulent dépendent uniquement de l’amplitude de l’énergie, et non de facteurs externes tels que la fréquence de vibration ou la forme du conteneur. “J’ai toujours senti qu’il y avait une structure générale dans nos turbulences mesurées”, partage Lena Dogra, première auteure de l’article et doctorante au Cavendish Laboratory. “Il nous a fallu 3 ans pour trouver le bon angle sous lequel regarder les données. Finalement, tout correspondait, et nous avons obtenu cette belle relation universelle.”

La découverte fait écho à l’universalité de la loi des gaz parfaits pour les états d’équilibre des cascades turbulentes loin de l’équilibre. En pensant à la loi des gaz parfaits, qui ne dépend pas de la façon dont le système a atteint son état actuel, les chercheurs ont découvert qu’il en va de même pour la cascade turbulente loin de l’équilibre en modifiant soudainement la force d’agitation et en basculant entre différents états turbulents. Enfin, en faisant varier les propriétés internes du BEC, c’est-à-dire la densité et la force de l’interaction entre les atomes, ils ont découvert que l’EoS peut être amené sous une forme universelle qui les capture tous ensemble.

“Les moyens systématiques de comprendre les systèmes d’équilibre sont bien établis. Ce travail est une étape vers l’extension de ces approches aux systèmes hors équilibre, qui ont généralement été beaucoup plus difficiles à comprendre”, a déclaré le professeur Zoran Hadzibabic, du laboratoire Cavendish. L’aspect le plus intéressant de cette recherche est de comprendre comment un système chaotique peut être encapsulé par une simple relation universelle. Alors qu’elle constitue une étape vers l’équation d’état (EoS), l’étude des transitions entre états turbulents est captivante à elle seule. Les chercheurs aimeraient résoudre ce qui se passe pendant le temps transitoire directement après avoir changé la secousse et aimeraient explorer comment les mesures se connectent aux prédictions de la dynamique qu’un système subit sur le chemin de l’équilibre à un état loin de l’équilibre et inversement, ce qui implique souvent des turbulences.

Les résultats présentent à la fois des similitudes et des divergences avec les théories de la turbulence qui sont appliquées à l’équation dite de Gross-Pitaevskii (GPE), qui décrit le gaz condensé de Bose-Einstein comme un objet classique. Il capture également de nombreux autres systèmes, des fibres optiques aux ondes de gravité à la surface de l’eau. Les écarts entre les résultats actuels et les théories pourraient provenir de la décomposition de la théorie approximative de la turbulence ou d’effets quantiques non pris en compte dans le GPE. Déterminer quel rôle jouent les deux aspects est un défi passionnant pour l’avenir.