Réglage des ondes de densité —

“Les gaz atomiques froids étaient bien connus dans le passé pour leur capacité à ‘programmer’ les interactions entre atomes”, explique le professeur Jean-Philippe Brantut de l’EPFL. “Notre expérience double cette capacité !” En collaboration avec le groupe du professeur Helmut Ritsch de l’Université d’Innsbruck, ils ont réalisé une percée qui peut avoir un impact non seulement sur la recherche quantique, mais aussi sur les technologies quantiques à l’avenir.

Ondes de densité

Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps à comprendre comment les matériaux s’auto-organisent en structures complexes, telles que les cristaux. Dans le monde souvent obscur de la physique quantique, ce type d’auto-organisation des particules est observé dans les «ondes de densité», où les particules s’organisent en un motif ou un «ordre» régulier et répétitif; comme un groupe de personnes avec des chemises de couleurs différentes qui se tiennent en ligne mais selon un schéma où deux personnes avec la même couleur de chemise ne se tiennent pas côte à côte.

Les ondes de densité sont observées dans une variété de matériaux, y compris les métaux, les isolants et les supraconducteurs. Cependant, les étudier a été difficile, surtout lorsque cet ordre (les motifs des particules dans l’onde) se produit avec d’autres types d’organisation tels que la superfluidité – une propriété qui permet aux particules de s’écouler sans résistance.

Il convient de noter que la superfluidité n’est pas seulement une curiosité théorique ; il présente un immense intérêt pour le développement de matériaux aux propriétés uniques, telles que la supraconductivité à haute température, qui pourrait conduire à un transfert et un stockage d’énergie plus efficaces, ou pour la construction d’ordinateurs quantiques.

Réglage d’un gaz de Fermi avec de la lumière

Pour explorer cette interaction, Brantut et ses collègues, les chercheurs ont créé un “gaz de Fermi unitaire”, un gaz mince d’atomes de lithium refroidi à des températures extrêmement basses, et où les atomes se heurtent très souvent.

Les chercheurs ont ensuite placé ce gaz dans une cavité optique, un dispositif utilisé pour confiner la lumière dans un petit espace pendant une période prolongée. Les cavités optiques sont constituées de deux miroirs qui se font face et réfléchissent la lumière entrante entre eux des milliers de fois, permettant aux particules de lumière, les photons, de s’accumuler à l’intérieur de la cavité.

Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé la cavité pour faire interagir à longue distance les particules du gaz de Fermi : un premier atome émettrait un photon qui rebondirait sur les miroirs, qui serait ensuite réabsorbé par le deuxième atome du gaz, quelle que soit la distance c’est depuis le premier. Lorsque suffisamment de photons sont émis et réabsorbés – facilement réglés dans l’expérience – les atomes s’organisent collectivement en un motif d’onde de densité.

“La combinaison d’atomes entrant directement en collision les uns avec les autres dans le gaz de Fermi, tout en échangeant simultanément des photons sur de longues distances, est un nouveau type de matière où les interactions sont extrêmes”, explique Brantut. “Nous espérons que ce que nous y verrons améliorera notre compréhension de certains des matériaux les plus complexes rencontrés en physique.”