Vers une simulation quantique de la fausse désintégration du vide


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  • Les transitions de phase sont partout, allant de l’ébullition de l’eau à la fonte des flocons de neige, et des transitions magnétiques dans les solides aux transitions de phase cosmologiques dans l’univers primitif. Les transitions de phase quantiques qui se produisent à des températures proches du zéro absolu et sont entraînées par des fluctuations quantiques plutôt que thermiques sont particulièrement intrigantes.

    Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont étudié les propriétés des phases quantiques et leurs transitions à l’aide d’atomes ultrafroids dans un potentiel de réseau optique (formé par un ensemble de lasers à ondes stationnaires). Typiquement, la transition d’un isolant de Mott (MI) à un superfluide (SF), qui est régie par l’interaction des interactions atome-atome et le saut d’atomes, est une transition continue, où le système subit un changement continu en douceur traversant le point de transition de phase.

    Cependant, de nombreuses transitions de phase sont discontinues, comme le gel de l’eau en glace, ou la transition qui aurait déclenché la période d’inflation dans l’univers primitif. Celles-ci sont appelées «transitions de premier ordre» et permettent par exemple aux deux phases de coexister – tout comme des blocs de glace dans un verre d’eau – et peuvent conduire à une hystérésis et à une métastabilité, où un système reste bloqué dans sa phase d’origine (la fausse vide) même si l’état fondamental a changé.

    En secouant par résonance la position du potentiel du réseau, les chercheurs ont pu coupler ou « mélanger » les deux premières bandes du réseau. Pour les bons paramètres, cela peut exciter les atomes de la bande la plus basse vers la première bande excitée, où ils formeraient un nouveau superfluide dans lequel les atomes apparaissent au bord de la bande. Surtout, la transition de l’isolant de Mott d’origine dans la bande la plus basse au superfluide échelonné résultant dans la bande excitée peut être du premier ordre (discontinu), car l’ordre non échelonné dans l’isolant de Mott est incompatible avec l’ordre échelonné de ce superfluide. — donc le système doit en choisir un. Les chercheurs ont pu observer directement la métastabilité et l’hystérésis associées à cette transition de premier ordre en surveillant la vitesse à laquelle une phase se transforme ou non en une autre. Les résultats sont publiés dans la revue Physique naturelle.

    « Nous avons réalisé une plate-forme très flexible où les transitions de phase pouvaient être réglées de continu à discontinu en modifiant la force d’agitation. Cette démonstration ouvre de nouvelles opportunités pour explorer le rôle des fluctuations quantiques dans les transitions de phase du premier ordre, par exemple, la fausse décroissance du vide dans l’univers primitif », a déclaré le premier auteur, le Dr Bo Song du laboratoire Cavendish de Cambridge. « Il est vraiment fascinant que nous soyons sur la voie de percer le mystère de l’univers primitif chaud et dense en utilisant un ensemble atomique aussi froid et minuscule. »

    « Nous sommes ravis d’élargir la portée des simulateurs quantiques des paramètres de la matière condensée vers des simulations potentielles de l’univers primitif. Bien qu’il reste clairement un long chemin à parcourir, ce travail est une première étape importante », a ajouté le professeur Ulrich Schneider, qui a dirigé la recherche au Laboratoire Cavendish. « Ce travail fournit également un banc d’essai pour explorer la formation spontanée de structures spatiales lorsqu’un système quantique en interaction forte subit une transition discontinue. »

    « La physique sous-jacente implique des idées qui ont une longue histoire au Cavendish, de Nevill Mott (sur les corrélations) à Pyotr Kapitsa (sur la superfluidité), et même l’utilisation de secousses pour effectuer un contrôle dynamique d’une manière expliquée par Kapitsa mais mise à profit dans un façon qu’il n’aurait jamais envisagée », a expliqué le professeur Nigel Cooper, également du Cavendish.

    La recherche est financée en partie par le Conseil européen de la recherche (ERC) et le UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) ainsi que la Fondation Simons.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Cambridge. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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