Figure 1 :Profil de densité de deux composants superfluides qui se mélangent (à gauche) ou ne se mélangent pas (à droite). Dans un superfluide tournant à deux composants miscibles, ou mélangeable, la matière sera répartie uniformément dans le récipient en forme de beignet. C'est le même profil de densité vu dans une rotation, superfluide monocomposant. Lorsque les deux composants ne sont pas miscibles, ou non mélangeable, ils se sépareront l'un de l'autre et formeront deux touffes en demi-cercle sur des côtés opposés. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Le monde quantique est à la fois élégant et mystérieux. C'est une sphère d'existence où les lois de la physique vécues dans la vie quotidienne sont brisées - les particules peuvent exister à deux endroits à la fois, ils peuvent réagir entre eux sur de grandes distances, et ils semblent eux-mêmes confus quant à savoir s'il s'agit de particules ou d'ondes. Pour ceux qui ne sont pas sur le terrain, ce monde peut sembler insignifiant, mais récemment, des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont théoriquement décrit deux états quantiques extraordinaires à la fois par la physique qui les définit et par leur attrait visuel :un système quantique complexe qui simule la physique classique et un état envoûtant en forme de collier. . Leur étude est publiée dans la revue Examen physique A .
La quête de ces états commence par un beignet, ou plutôt, un récipient en forme de beignet contenant un superfluide en rotation. Ce superfluide, qui est un fluide qui se déplace sans frottement, est constitué de condensats de Bose-Einstein (BEC) comprenant des particules sans charge qui sont refroidies à près de zéro degré Kelvin, une température si froide, qu'il n'existe pas dans l'univers en dehors des laboratoires. A cette température, les particules commencent à présenter des propriétés étranges - elles s'agglutinent, et finissent par devenir indiscernables les uns des autres. En effet, ils deviennent une seule entité et se déplacent ainsi comme un seul.
Étant donné que ce superfluide BEC tourbillonnant fonctionne à une échelle quantique, où règnent les distances minuscules et les basses températures, les caractéristiques physiques de sa rotation ne sont pas celles observées dans le monde classique. Prenons l'exemple d'un père qui fait tourner sa fille en rond par les bras. La physique classique exige que les jambes de l'enfant se déplacent plus vite que ses mains autour du cercle, puisque ses jambes doivent voyager plus loin pour faire un tour complet.
Dans le monde de la physique quantique, la relation est inverse. "Dans un superfluide… les choses qui sont très éloignées [du centre] bougent très lentement, alors que les choses [qui] sont proches du centre bougent très vite, " explique le professeur de l'OIST Thomas Busch, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude. C'est ce qui se passe dans le beignet superfluide.
En outre, le superfluide à l'intérieur du beignet présente un profil de densité uniforme, ce qui signifie qu'il est réparti uniformément autour du beignet. Ce serait la même chose pour la plupart des liquides qui tournent via des règles classiques ou quantiques. Mais que se passe-t-il si un autre type de BEC est ajouté, celui qui est fabriqué à partir d'une espèce atomique différente et qui ne peut pas se mélanger avec le BEC d'origine ? Comme l'huile et l'eau, les deux composants se sépareront d'une manière qui minimise la zone dans laquelle ils se touchent et formeront deux demi-cercles sur les côtés opposés du récipient à beignets.
Figure 2 :Différentes versions du collier quantique ultrafroid. Le nombre de perles dans le collier quantique dépend de la force du couplage spin-orbite. Un couplage plus fort produit plus de perles, et le nombre doit toujours être impair.
"La limite la plus courte [entre les composants] est dans la direction radiale, " Dr Angela White, premier auteur de l'étude, explique. Les deux composants se séparent en différentes moitiés du beignet le long de cette limite, qui est créé en passant par le rayon du beignet. Dans cette configuration, ils utiliseront moins d'énergie pour rester séparés qu'ils ne le feraient via n'importe quel autre.
Dans l'immiscible, ou non mixable, configuration illustrée à la figure 1, le monde quantique surprend. Puisque la frontière entre les deux superfluides doit rester alignée le long de la direction radiale, le superfluide présent à cette frontière doit tourner comme un objet classique. Cela se produit afin de maintenir cet état de basse énergie. Si à la frontière les superfluides continuaient à tourner plus vite à l'intérieur, alors les deux demi-cercles commenceraient à se tordre, allongeant la ligne qui les sépare, et donc nécessitant plus d'énergie pour rester séparés. Le résultat est une sorte de mimétisme de la physique classique, où le système semble sauter dans le domaine classique, facilité par le comportement complexe de la mécanique quantique.
À ce stade, le beignet superfluide a atteint son premier état extraordinaire qui imite la rotation classique. Mais il reste encore une étape pour transformer ce système déjà ahurissant en objectif final du collier :le couplage spin-orbite.
"D'une manière très abstraite, [spin is] juste une chose qui a deux états possibles, " explique Busch. " Cela peut être de cette façon ou cela peut être de cette façon. " Pour cette expérience, ce qui implique des particules qui n'ont pas de charge, ou pas de rotation, les chercheurs ont « truqué » une rotation en attribuant une propriété « ceci ou cela » à leurs particules.
Lors du couplage des particules en fonction de cette propriété, les deux demi-cercles à l'intérieur du beignet se brisent en plusieurs parties alternées, formant ainsi la configuration du collier (figure 2). En creusant plus loin dans sa composition, les chercheurs ont découvert que le nombre de "perles" dans le collier dépend de la force du couplage spin-orbite et, plus surprenant, qu'il doit toujours y avoir un nombre impair de ces perles.
Les chercheurs ont déjà prédit des colliers quantiques, mais ils étaient connus pour être instables, s'étendant ou se dissipant jusqu'à l'oubli peu de temps après leur création. Dans ce modèle théorique, les chercheurs de l'OIST pensent avoir trouvé un moyen de créer un collier stable, un qui laisserait plus de temps pour l'étudier et apprécier sa majesté raffinée.
