De nouvelles expériences avec des gaz atomiques ultra-froids mettent en lumière l’évolution de tous les systèmes quantiques en interaction après un afflux soudain d’énergie

“De nombreuses avancées majeures en physique au cours du siècle dernier ont concerné le comportement des systèmes quantiques avec de nombreuses particules”, a déclaré David Weiss, professeur émérite de physique à Penn State et l’un des dirigeants de l’équipe de recherche. “Malgré l’éventail stupéfiant de divers phénomènes” à plusieurs corps “, comme la supraconductivité, la superfluidité et le magnétisme, il a été constaté que leur comportement près de l’équilibre est souvent suffisamment similaire pour qu’ils puissent être classés dans un petit ensemble de classes universelles. En revanche, le comportement des systèmes qui sont loin de l’équilibre a donné lieu à peu de descriptions unificatrices de ce genre.”

Ces systèmes quantiques à plusieurs corps sont des ensembles de particules, comme des atomes, qui sont libres de se déplacer les unes par rapport aux autres, a expliqué Weiss. Lorsqu’ils sont une combinaison suffisamment dense et froide, qui peut varier selon le contexte, la mécanique quantique – la théorie fondamentale qui décrit les propriétés de la nature à l’échelle atomique ou subatomique – est nécessaire pour décrire leur dynamique.

Des systèmes dramatiquement hors d’équilibre sont régulièrement créés dans les accélérateurs de particules lorsque des paires d’ions lourds entrent en collision à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Les collisions produisent un plasma – composé des particules subatomiques “quarks” et “gluons” – qui émerge très tôt dans la collision et peut être décrit par une théorie hydrodynamique – similaire à la théorie classique utilisée pour décrire le flux d’air ou d’autres fluides en mouvement – bien avant que le plasma n’atteigne l’équilibre thermique local. Mais que se passe-t-il dans le laps de temps étonnamment court avant que la théorie hydrodynamique puisse être utilisée ?

“Le processus physique qui se produit avant que l’hydrodynamique puisse être utilisée a été appelé” hydrodynamisation “, a déclaré Marcos Rigol, professeur de physique à Penn State et autre chef de l’équipe de recherche. “De nombreuses théories ont été développées pour essayer de comprendre l’hydrodynamisation dans ces collisions, mais la situation est assez compliquée et il n’est pas possible de l’observer réellement comme cela se produit dans les expériences sur les accélérateurs de particules. En utilisant des atomes froids, nous pouvons observer ce qui se passe pendant hydrodynamisation.”

Les chercheurs de Penn State ont profité de deux caractéristiques particulières des gaz unidimensionnels, qui sont piégés et refroidis à un zéro absolu proche par des lasers, afin de comprendre l’évolution du système après qu’il a été déséquilibré, mais avant que l’hydrodynamique ne puisse sois appliqué. La première fonctionnalité est expérimentale. Les interactions dans l’expérience peuvent être soudainement désactivées à tout moment après l’afflux d’énergie, de sorte que l’évolution du système peut être directement observée et mesurée. Plus précisément, ils ont observé l’évolution dans le temps des distributions d’impulsion unidimensionnelles après l’extinction soudaine de l’énergie.

“Les atomes ultra-froids dans des pièges fabriqués à partir de lasers permettent un contrôle et une mesure si précis qu’ils peuvent vraiment éclairer la physique à plusieurs corps”, a déclaré Weiss. “Il est étonnant que la même physique de base qui caractérise les collisions d’ions lourds relativistes, certaines des collisions les plus énergétiques jamais réalisées dans un laboratoire, se manifeste également dans les collisions beaucoup moins énergétiques que nous réalisons dans notre laboratoire.”

La deuxième caractéristique est théorique. Une collection de particules qui interagissent les unes avec les autres de manière compliquée peut être décrite comme une collection de “quasiparticules” dont les interactions mutuelles sont beaucoup plus simples. Contrairement à la plupart des systèmes, la description des quasi-particules des gaz unidimensionnels est mathématiquement exacte. Cela permet une description très claire de la raison pour laquelle l’énergie est rapidement redistribuée dans le système après avoir été déséquilibrée.

“Les lois connues de la physique, y compris les lois de conservation, dans ces gaz unidimensionnels impliquent qu’une description hydrodynamique sera précise une fois cette évolution initiale jouée”, a déclaré Rigol. “L’expérience montre que cela se produit avant que l’équilibre local ne soit atteint. L’expérience et la théorie fournissent donc ensemble un exemple modèle d’hydrodynamisation. Puisque l’hydrodynamisation se produit si rapidement, la compréhension sous-jacente en termes de quasi-particules peut être appliquée à n’importe quel quantum à plusieurs corps. système auquel une très grande quantité d’énergie est ajoutée.”

Outre Weiss et Rigol, l’équipe de recherche de Penn State comprend Yuan Le, Yicheng Zhang et Sarang Gopalakrishnan. La recherche a été financée par la US National Science Foundation. Les calculs ont été effectués au Penn State Institute for Computational and Data Sciences.