Des physiciens répondent à une question vieille de plusieurs décennies sur l’interaction des particules quantiques dans un système désordonné

“C’est une très vieille question héritée de la physique de la matière condensée”, a déclaré David Weld, physicien expérimental à l’UCSB spécialisé en physique atomique ultra-froide et en simulation quantique. La question relève de la catégorie de la physique « à plusieurs corps », qui interroge les propriétés physiques d’un système quantique avec de multiples parties en interaction. Alors que les problèmes à plusieurs corps font l’objet de recherches et de débats depuis des décennies, la complexité de ces systèmes, avec des comportements quantiques tels que la superposition et l’intrication, conduit à une multitude de possibilités, les rendant impossibles à résoudre par le seul calcul. “De nombreux aspects du problème sont hors de portée des ordinateurs modernes”, a ajouté Weld.

Heureusement, ce problème n’était pas hors de portée d’une expérience impliquant des atomes de lithium ultra-froids et des lasers. Alors, qu’est-ce qui émerge lorsque vous introduisez une interaction dans un système quantique désordonné et chaotique ? Un “état quantique étrange”, selon Weld. “C’est un état anormal, avec des propriétés qui, dans un certain sens, se situent entre la prédiction classique et la prédiction quantique sans interaction.”

Les résultats des physiciens sont publiés dans la revue Physique naturelle.

‘Il se passe quelque chose d’étrange’

En ce qui concerne les comportements étranges et contre-intuitifs, le monde quantique ne déçoit pas. Prenons par exemple un pendule régulier, qui se comporterait exactement comme on s’y attendrait lorsqu’il serait soumis à des impulsions d’énergie.

“Si vous lui donnez un coup de pied et le secouez de haut en bas de temps en temps, un pendule classique absorbera continuellement de l’énergie, commencera à se tortiller partout et explorera de manière chaotique tout l’espace des paramètres”, a déclaré Weld.

Dans les systèmes quantiques, le chaos semble différent. Au lieu de mouvement, le désordre peut amener les particules à une sorte d’arrêt. Et tandis qu’un pendule quantique ou “rotor” frappé peut d’abord absorber l’énergie des coups de pied – semblable à un pendule classique – avec des coups de pied répétés, le système cesse d’absorber l’énergie et la distribution de l’impulsion se fige, dans ce qu’on appelle un état localisé dynamiquement. Cette localisation est étroitement analogue au comportement d’un solide électronique “sale”, dans lequel le désordre entraîne des électrons immobiles et localisés, faisant passer le solide d’un métal ou d’un conducteur (électrons en mouvement) à un isolant.

Alors que cet état de localisation a été exploré pendant des décennies dans le contexte de particules uniques sans interaction, que se passe-t-il dans un système désordonné avec plusieurs électrons en interaction ? Des questions comme celle-ci et des aspects connexes du chaos quantique étaient dans l’esprit de Weld et de son co-auteur, le théoricien de l’Université du Maryland Victor Galitski, lors d’une discussion il y a plusieurs années lorsque Galitski était en visite à Santa Barbara.

“Ce que Victor a soulevé était la question de savoir ce qui se passerait si, au lieu de ce système quantique pur sans interaction qui est stabilisé par des interférences, vous aviez un tas de ces rotors et ils pouvaient tous se heurter et interagir les uns avec les autres”, a rappelé Weld. « La localisation persiste-t-elle ou est-elle détruite par les interactions ?

“En effet, c’est une question très difficile qui concerne les fondements de la mécanique statistique et la notion de base d’ergodicité, selon laquelle la plupart des systèmes en interaction finissent par se thermaliser dans un état universel”, a déclaré Galitski.

Imaginez un instant verser du lait froid dans du café chaud. Les particules dans votre tasse vont, au fil du temps et à travers leurs interactions, s’arranger dans un état d’équilibre uniforme qui n’est ni du café chaud ni du lait froid. Ce type de comportement – la thermalisation – était attendu de tous les systèmes en interaction. C’est-à-dire jusqu’à il y a environ 16 ans, quand on a soutenu que le désordre dans un système quantique était censé entraîner une localisation à plusieurs corps (MBL).

“Ce phénomène, qui a été reconnu par le prix Lars Onsager plus tôt cette année, est difficile à prouver rigoureusement théoriquement ou à établir expérimentalement”, a déclaré Galitski.

Le groupe de Weld avait la technologie et l’expertise nécessaires pour faire la lumière sur la situation, littéralement. Dans leur laboratoire se trouve un gaz de 100 000 atomes de lithium ultrafroids en suspension dans une onde lumineuse stationnaire. Chaque atome représente un rotor quantique qui peut être lancé par des impulsions laser.

“Nous pouvons utiliser un outil appelé résonance de Feshbach pour garder les atomes masqués les uns des autres, ou nous pouvons les faire rebondir les uns sur les autres avec des interactions arbitrairement fortes”, a déclaré Weld. En tournant un bouton, les chercheurs ont pu faire passer les atomes de lithium de la danse en ligne au mosh pit et capturer leurs comportements.

Comme prévu, lorsque les atomes étaient invisibles les uns pour les autres, ils ont poussé le laser jusqu’à un certain point, après quoi ils ont cessé de bouger dans leur état localisé dynamiquement, malgré des coups de pied répétés. Mais lorsque les chercheurs ont augmenté l’interaction, non seulement l’état localisé a diminué, mais le système a semblé absorber l’énergie des coups de pied répétés, imitant le comportement chaotique classique.

Cependant, a souligné Weld, alors que le système quantique désordonné en interaction absorbait de l’énergie, il le faisait à un rythme beaucoup plus lent que ne le ferait un système classique.

“Ce que nous voyons est quelque chose qui absorbe l’énergie, mais pas aussi bien qu’un système classique”, a-t-il déclaré. “Et il semble que l’énergie croît à peu près avec la racine carrée du temps au lieu de linéairement avec le temps. Les interactions ne la rendent donc pas classique; c’est toujours un état quantique étrange présentant une non-localisation anormale.”

Tester le chaos

L’équipe de Weld a utilisé une technique appelée “écho” dans laquelle l’évolution cinétique est exécutée en avant puis en arrière pour mesurer directement la manière dont les interactions détruisent la réversibilité temporelle. Cette destruction de la réversibilité temporelle est une signature clé du chaos quantique.

“Une autre façon de penser à cela est de demander : quelle quantité de mémoire de l’état initial le système a-t-il après un certain temps ?” a déclaré le co-auteur Roshan Sajjad, un chercheur étudiant diplômé de l’équipe de lithium. En l’absence de perturbations telles que la lumière parasite ou les collisions de gaz, a-t-il expliqué, le système devrait pouvoir revenir à son état initial si la physique est exécutée à l’envers. “Dans notre expérience, nous inversons le temps en inversant la phase des coups de pied, en “annulant” les effets de la première série normale de coups de pied”, a-t-il déclaré. “Une partie de notre fascination était que différentes théories avaient prédit différents comportements sur le résultat de ce type de configuration interactive, mais personne n’avait jamais fait l’expérience.”

“L’idée approximative du chaos est que même si les lois du mouvement sont réversibles dans le temps, un système à plusieurs particules peut être si compliqué et sensible aux perturbations qu’il est pratiquement impossible de revenir à son état initial”, a déclaré l’auteur principal Alec Cao. La torsion était que dans un état effectivement désordonné (localisé), les interactions brisaient quelque peu la localisation, même si le système perdait sa capacité à être inversé dans le temps, a-t-il expliqué.

“Naïvement, on s’attendrait à ce que les interactions ruinent l’inversion du temps, mais nous avons vu quelque chose de plus intéressant : un peu d’interaction aide en fait !” Sajjad a ajouté. “Ce fut l’un des résultats les plus surprenants de ce travail.”

Weld et Galitski n’étaient pas les seuls à être témoins de cet état quantique flou. Le physicien de l’Université de Washington Subhadeep Gupta et son équipe ont mené une expérience complémentaire en même temps, produisant des résultats similaires en utilisant des atomes plus lourds dans un contexte unidimensionnel. Ce résultat est publié aux côtés de ceux de l’UC Santa Barbara et de l’Université du Maryland dans Physique naturelle.

“Les expériences à l’UW ont fonctionné dans un régime physique très difficile avec des atomes 25 fois plus lourds limités à se déplacer dans une seule dimension, mais ont également mesuré une croissance d’énergie plus faible que linéaire à partir de coups de pied périodiques, éclairant un domaine où les résultats théoriques ont été en conflit », a déclaré Gupta, dont le groupe a collaboré avec le théoricien Chuanwei Zhang et son équipe à l’Université du Texas à Dallas.

Ces découvertes, comme de nombreux résultats de physique importants, ouvrent plus de questions et ouvrent la voie à davantage d’expériences sur le chaos quantique, où le lien convoité entre la physique classique et la physique quantique pourrait être découvert.

“L’expérience de David est la première tentative de sonder une version dynamique de MBL dans un environnement de laboratoire plus contrôlé”, a commenté Galitski. “Bien qu’il n’ait pas résolu sans ambiguïté la question fondamentale d’une manière ou d’une autre, les données montrent que quelque chose d’étrange se passe.”

“Comment pouvons-nous comprendre ces résultats dans le contexte du très grand nombre de travaux sur la localisation à plusieurs corps dans les systèmes de matière condensée?” a demandé Weld. « Comment pouvons-nous caractériser cet état de la matière ? Nous observons que le système se délocalise, mais pas avec la dépendance temporelle linéaire attendue ; que se passe-t-il ? Nous attendons avec impatience de futures expériences explorant ces questions et d’autres.