Les fermions les plus froids de l’univers ouvrent un portail vers le domaine quantique à haute symétrie

“À moins qu’une civilisation extraterrestre ne fasse des expériences comme celles-ci en ce moment, chaque fois que cette expérience se déroule à l’Université de Kyoto, elle fabrique les fermions les plus froids de l’univers”, a déclaré Kaden Hazzard de l’Université Rice, auteur de la théorie correspondante d’une étude publiée aujourd’hui dans Physique naturelle. “Les fermions ne sont pas des particules rares. Ils incluent des choses comme les électrons et sont l’un des deux types de particules dont toute matière est faite.”

Une équipe de Kyoto dirigée par l’auteur de l’étude Yoshiro Takahashi a utilisé des lasers pour refroidir ses fermions, des atomes d’ytterbium, à environ un milliardième de degré du zéro absolu, la température inaccessible où tout mouvement s’arrête. C’est environ 3 milliards de fois plus froid que l’espace interstellaire, qui est encore réchauffé par la rémanence du Big Bang.

“La récompense d’avoir ce rhume est que la physique change vraiment”, a déclaré Hazzard. “La physique commence à devenir plus mécanique quantique, et elle vous permet de voir de nouveaux phénomènes.”

Les atomes sont soumis aux lois de la dynamique quantique, tout comme les électrons et les photons, mais leurs comportements quantiques ne deviennent évidents que lorsqu’ils sont refroidis à une fraction de degré près du zéro absolu. Les physiciens utilisent le refroidissement par laser pour étudier les propriétés quantiques des atomes ultrafroids depuis plus d’un quart de siècle. Les lasers sont utilisés à la fois pour refroidir les atomes et limiter leurs mouvements à des réseaux optiques, des canaux de lumière 1D, 2D ou 3D qui peuvent servir de simulateurs quantiques capables de résoudre des problèmes complexes hors de portée des ordinateurs conventionnels.

Le laboratoire de Takahashi a utilisé des réseaux optiques pour simuler un modèle Hubbard, un modèle quantique souvent utilisé créé en 1963 par le physicien théoricien John Hubbard. Les physiciens utilisent les modèles de Hubbard pour étudier le comportement magnétique et supraconducteur des matériaux, en particulier ceux où les interactions entre les électrons produisent un comportement collectif, un peu comme les interactions collectives des fans de sport enthousiastes qui exécutent “la vague” dans des stades bondés.

“Le thermomètre qu’ils utilisent à Kyoto est l’une des choses importantes fournies par notre théorie”, a déclaré Hazzard, professeur agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. “En comparant leurs mesures à nos calculs, nous pouvons déterminer la température. La température record est atteinte grâce à une nouvelle physique amusante liée à la très haute symétrie du système.”

Le modèle Hubbard simulé à Kyoto a une symétrie spéciale connue sous le nom de SU(N), où SU signifie groupe unitaire spécial – une manière mathématique de décrire la symétrie – et N désigne les états de spin possibles des particules dans le modèle. Plus la valeur de N est grande, plus la symétrie du modèle est grande et la complexité des comportements magnétiques qu’il décrit. Les atomes d’ytterbium ont six états de spin possibles, et le simulateur de Kyoto est le premier à révéler des corrélations magnétiques dans un modèle Hubbard SU(6), qui sont impossibles à calculer sur un ordinateur.

“C’est la vraie raison de faire cette expérience”, a déclaré Hazzard. “Parce que nous mourons d’envie de connaître la physique de ce modèle SU(N) Hubbard.”

Le co-auteur de l’étude, Eduardo Ibarra-García-Padilla, étudiant diplômé du groupe de recherche de Hazzard, a déclaré que le modèle Hubbard vise à capturer les ingrédients minimaux pour comprendre pourquoi les matériaux solides deviennent des métaux, des isolants, des aimants ou des supraconducteurs.

“L’une des questions fascinantes que les expériences peuvent explorer est le rôle de la symétrie”, a déclaré Ibarra-García-Padilla. “Avoir la capacité de le concevoir dans un laboratoire est extraordinaire. Si nous pouvons comprendre cela, cela peut nous guider vers la fabrication de matériaux réels avec de nouvelles propriétés souhaitées.”

L’équipe de Takahashi a montré qu’il pouvait piéger jusqu’à 300 000 atomes dans son réseau 3D. Hazzard a déclaré que le calcul précis du comportement d’une douzaine de particules dans un modèle SU(6) Hubbard est hors de portée des superordinateurs les plus puissants. Les expériences de Kyoto offrent aux physiciens une chance d’apprendre comment ces systèmes quantiques complexes fonctionnent en les observant en action.

Les résultats sont une étape majeure dans cette direction et incluent les premières observations de la coordination des particules dans un modèle SU(6) Hubbard, a déclaré Hazzard.

“Pour le moment, cette coordination est à courte portée, mais à mesure que les particules sont encore plus refroidies, des phases de matière plus subtiles et plus exotiques peuvent apparaître”, a-t-il déclaré. “L’une des choses intéressantes à propos de certaines de ces phases exotiques est qu’elles ne sont pas ordonnées selon un schéma évident et qu’elles ne sont pas non plus aléatoires. Il existe des corrélations, mais si vous regardez deux atomes et demandez:” Sont-ils corrélés? vous ne les verrez pas. Ils sont beaucoup plus subtils. Vous ne pouvez pas regarder deux ou trois ou même 100 atomes. Vous devez en quelque sorte regarder l’ensemble du système.

Les physiciens ne disposent pas encore d’outils capables de mesurer un tel comportement dans l’expérience de Kyoto. Mais Hazzard a déclaré que des travaux étaient déjà en cours pour créer les outils, et que le succès de l’équipe de Kyoto stimulera ces efforts.

“Ces systèmes sont assez exotiques et spéciaux, mais l’espoir est qu’en les étudiant et en les comprenant, nous puissions identifier les ingrédients clés qui doivent être présents dans les vrais matériaux”, a-t-il déclaré.

Les co-auteurs de l’étude incluent Shintaro Taie, Naoki Nishizawa et Yosuke Takasu de Kyoto, Hao-Tian Wei des universités Rice et Fudan à Shanghai, Yoshihito Kuno de l’Université de Tsukuba à Ibaraki, au Japon, et Richard Scalettar de l’Université de Californie, Davis.

La recherche à Rice a été soutenue par la Welch Foundation (C-1872) et la National Science Foundation (1848304).