De nouvelles recherches menées à l'Université de Chicago ont confirmé une théorie vieille de plusieurs décennies décrivant la dynamique des transitions de phase continues.

Les résultats, publié dans le numéro du 4 novembre de Science , fournir la première démonstration claire du mécanisme Kibble-Zurek pour une transition de phase quantique à la fois dans l'espace et dans le temps. Le professeur Cheng Chin et son équipe de physiciens UChicago ont observé la transition dans les atomes de césium gazeux à des températures proches du zéro absolu.

Dans une transition de phase, la matière change de forme et de propriétés comme lors des transitions du solide au liquide (par exemple, glace à eau) ou de liquide à gaz (par exemple, de l'eau à la vapeur). Celles-ci sont connues sous le nom de transitions de phase du premier ordre.

Une transition de phase continue, ou transition du second ordre, forme des défauts, tels que des murs de domaine, des cordes et des textures cosmiques - où une partie de la matière est coincée entre des régions dans des états distincts. Le mécanisme de Kibble-Zurek prédit comment de tels défauts et structures complexes se formeront dans l'espace et dans le temps lorsqu'un système physique passe par une transition de phase continue. Des exemples de transitions de phase continues incluent la brisure spontanée de la symétrie dans l'univers primitif et, dans le cas de l'expérience de l'équipe de Chin, une transition de phase ferromagnétique dans les atomes de césium gazeux.

"Nous étudions les transitions de phase car c'est l'une des questions les plus fondamentales qui nous intrigue, " dit Chin, un co-auteur de l'article. "Quelle est l'origine de la structure complexe de l'univers, comment les imperfections apparaissent-elles et comment des matériaux identiques développent-ils des propriétés distinctes au fil du temps ? »

Les cosmologues qui étudient l'origine, évolution, La structure et l'avenir de l'univers prennent également en compte les transitions de phase dans la matière, car elles informent leur compréhension de ce qui s'est passé tout au long de l'histoire de l'univers, en particulier lors de sa formation.

"Ce que nous apprenons en testant KZM dans notre système ne concerne pas l'origine de l'univers, " Dit Chin. " Il s'agit plutôt de savoir comment une structure complexe est développée au cours d'une transition. Ce sont deux questions différentes mais liées. Vous pouvez demander :« D'où vient la neige ? ou « Pourquoi les flocons de neige ont-ils une belle structure cristalline ? » Notre enquête porte davantage sur la deuxième question."

Les résultats de l'expérience peuvent être appliqués à de nombreux systèmes, tels que les cristaux liquides, l'hélium superfluide ou même les membranes cellulaires, qui passent par des transitions de phase continues similaires. "Tous devraient partager la même symétrie d'échelle spatio-temporelle que nous avons vue ici, " a déclaré Logan Clark, un doctorant UChicago en physique et premier auteur de l'article.

Dans l'expérience, une vapeur d'atomes de césium a été refroidie à l'aide de faisceaux laser, créant ainsi un gaz de césium quantique. Des faisceaux laser supplémentaires ont été utilisés pour créer un réseau optique qui aligne les atomes de gaz dans des motifs. Des ondes sonores ont été utilisées pour secouer le réseau optique et conduire les atomes à travers un continu, transition de phase quantique ferromagnétique. Cela les a amenés à se diviser en différents domaines avec un élan positif ou négatif. Les chercheurs ont découvert que la structure des domaines résultants était cohérente avec ce que le mécanisme Kibble-Zurek aurait prédit.

"Le gaz quantique traversant la transition de phase dans le réseau optique dans notre expérience est analogue à l'ensemble de l'univers primitif traversant une transition de phase, " Clark a déclaré. " Tout système subissant une transition de phase continue devrait partager les propriétés que nous avons vues dans notre expérience. "

Les modèles qui se sont formés dépendaient de la rapidité avec laquelle la quantité de secousses a été augmentée, dit Lei Feng, un doctorant UChicago en physique et co-auteur de l'article. "Plus les secousses s'accéléraient rapidement, plus les domaines sont petits. La quantité de mouvement des atomes dans différentes régions du fluide était visible au microscope, afin que nous puissions voir la taille des domaines et compter le nombre de défauts entre eux."

Erich Mueller, professeur de physique à l'Université Cornell qui connaît bien la recherche, a décrit les résultats comme "une démonstration remarquable de l'universalité de la physique."

"La même théorie qui est utilisée pour expliquer la formation de la structure dans l'univers primitif explique également la formation de la structure dans les gaz froids" utilisés dans leurs expériences, dit Mueller, qui n'a pas participé à l'étude.

Le travail contribue à la compréhension fondamentale de la physique, dit Chin. "Alors que les cosmologistes sont toujours à la recherche de preuves du mécanisme Kibble-Zurek, notre équipe l'a en fait vu dans notre laboratoire dans des échantillons d'atomes à des températures extrêmement basses.

"Nous sommes sur la bonne voie pour étudier d'autres phénomènes cosmologiques intrigants, non seulement avec un télescope, mais aussi avec un microscope, " a-t-il conclu.