En poussant doucement un nuage tourbillonnant d'atomes de lithium surfondus avec une paire de lasers, et en observant la réponse des atomes, des chercheurs de Swinburne ont développé une nouvelle façon de sonder les propriétés des matériaux quantiques.

Les matériaux quantiques, une famille qui comprend les superfluides, supraconducteurs, aimants exotiques, les atomes ultrafroids et les « isolants topologiques » récemment découverts—affichent à grande échelle certains des effets quantiques remarquables généralement associés aux particules microscopiques et subatomiques.

Mais, tandis que la mécanique quantique explique le comportement des particules microscopiques, appliquer la théorie quantique à des systèmes plus grands est beaucoup plus difficile.

"Alors que le potentiel des matériaux quantiques, comme les supraconducteurs, est indéniable, nous devons bien saisir la physique quantique sous-jacente en jeu dans ces systèmes pour établir leurs véritables capacités, " dit Chris Vale, professeur agrégé au Center for Quantum and Optical Science, qui a dirigé la recherche. "C'est une grande partie de la motivation pour ce que nous faisons."

Professeur agrégé Vale et ses collègues, dont Sascha Hoinka et Paul Dyke, aussi à Swinburne, développé une nouvelle façon d'explorer le comportement de cette famille de matériaux. Ils ont détecté quand un «gaz de Fermi» d'atomes de lithium, un simple matériau quantique, est entré dans un état « superfluide » quantique.

Un nouveau système compare les théories aux expériences

Leur système permet de vérifier avec précision les théories de la supraconductivité et les effets quantiques associés par rapport à l'expérience, pour voir si les théories sont exactes et comment elles pourraient être affinées.

L'avancée des chercheurs était basée sur le fait que les propriétés spéciales des matériaux quantiques émergent lorsque leurs particules constitutives entrent dans un état synchronisé. Le flux d'électrons à résistance nulle à travers les supraconducteurs, par exemple, émerge lorsque les électrons peuvent s'associer pour former des « paires de Cooper ».

Le dispositif expérimental sophistiqué de l'équipe a permis de détecter ce comportement quantique coordonné. En affinant l'interaction de leurs lasers avec le gaz de Fermi, Le professeur agrégé Vale et ses collègues ont pour la première fois pu détecter l'insaisissable, mode Goldstone basse énergie, une excitation qui n'apparaît que dans les systèmes qui sont entrés dans un état quantique synchronisé.

"Parce que notre expérience fournit un environnement bien contrôlé et que l'apparence du mode Goldstone est très claire, nos mesures fournissent une référence contre laquelle les théories quantiques peuvent être testées avant qu'elles ne soient appliquées à des systèmes plus complexes comme les supraconducteurs, ", déclare le professeur agrégé Vale.

"En développant des méthodes pour comprendre les grands systèmes qui se comportent de manière quantique, nous construisons la base de connaissances qui sous-tendra les futures technologies quantiques."

Les recherches de l'équipe ont été publiées dans la revue en ligne Physique de la nature .