(a) Profil de train de solitons stationnaire du paramètre d'ordre avec le vecteur d'onde k0 pour différentes valeurs du paramètre de netteté k1. Solide :k1 =0,65, en pointillés :k1 =0,999. La netteté est définie par l'espacement des solitons, force d'interaction, et le déséquilibre de rotation. (b) Spectre monoparticulaire BdG du train de solitons dans la zone étendue, pour k1 =0,65. Les flèches montrent trois types d'excitations particule-trou, qui donnent lieu à des continus déconnectés dans le spectre d'excitation collective. Crédit :arXiv:1612.04845 [cond-mat.quant-gas]
Les ondes solitaires – connues sous le nom de solitons – apparaissent sous de nombreuses formes. Le plus reconnaissable est peut-être le tsunami, qui se forme suite à une perturbation au fond de l'océan et peut voyager, sans relâche, à grande vitesse sur des centaines de kilomètres.
Par définition, un soliton conserve sa forme tout en se propageant à vitesse constante. Mais que se passe-t-il quand deux, ou plus, les solitons interagissent ? Le consensus général des études antérieures est que les solitons sont essentiellement inchangés par une telle interaction et se traversent, mais le professeur de physique Erich Mueller et l'étudiant diplômé Shovan Dutta ont contesté cette notion dans un rapport qui vient d'être publié dans Lettres d'examen physique .
Leur papier, "Modes collectifs d'un train de soliton dans un superfluide de Fermi, " a été publié le 29 juin. Les deux hommes travaillent au Laboratoire de physique atomique et des solides de Cornell.
L'équipe a trouvé quelque chose de radicalement différent pour les solitons interagissant dans un superfluide, qui se forme lorsqu'un gaz d'atomes est refroidi à près du zéro absolu. Non seulement les solitons s'influencent les uns les autres, mais ils peuvent même entrer en collision et se détruire.
Des expériences récentes ont créé un seul, solitons à vie longue dans un superfluide. Dutta et Mueller ont théoriquement examiné les interactions au sein d'un large éventail de tels solitons dans un superfluide, comme le lithium-6. A leur grande surprise, Mueller et Dutta ont découvert une instabilité où des paires de solitons se heurtent et s'annihilent. Ils ont également trouvé une variété de nouvelles oscillations collectives des solitons.
Le taux d'instabilité est sensible à la séparation des solitons et à l'interaction entre atomes, les deux peuvent être réglés dans des expériences. En outre, ils ont découvert que l'instabilité pouvait être évitée en magnétisant le gaz - formant un état quantique exotique discuté pour la première fois dans les années 1960 dans le contexte des supraconducteurs avec des impuretés magnétiques.
Dutta et Mueller ont commencé ce travail à la recherche de la supersymétrie dans la physique de la matière condensée; en physique des particules, la théorie de la supersymétrie relie les deux classes de base de particules élémentaires - les bosons et les fermions - et stipule que pour chaque particule d'un groupe, il existe un "superpartenaire" de l'autre.
"Une direction dans laquelle nous courions, " Mueller a dit, « est-ce que nous pensions avoir un moyen de voir explicitement cette symétrie [dans la matière condensée]. »
Il s'est avéré que cela n'existait pas, Mueller a dit, mais ce que lui et Dutta ont trouvé a formé la base de leur article. En comparant les excitations bosoniques et fermioniques du superfluide, ils ont examiné le mouvement collectif d'un ensemble de solitons et ont découvert que les ondes – qui se sont formées essentiellement dans une dimension – ont effectué plusieurs mouvements collectifs. Certains d'entre eux étaient attendus, mais d'autres, y compris l'instabilité, n'étaient pas.
Ils ont également constaté que l'instabilité pouvait être surmontée par magnétisation, qui forme effectivement un déséquilibre, phase superfluide modulée dans l'espace - connue sous le nom d'état FFLO - qui avait été discutée en termes théoriques il y a 50 ans mais jamais directement réalisée dans les expériences. Cela ouvre la porte, Dutta a dit, d'approfondir l'étude des nouveaux états quantiques et des domaines connexes, comme la supraconductivité exotique.
"C'est un défi de longue date pour une grande communauté de personnes, pour créer cet état quantique, " il a dit, "Et nos découvertes montrent que l'on peut directement le fabriquer dans des gaz atomiques froids."
Mueller et Dutta ont soumis un article connexe sur leur protocole d'ingénierie directe de ce nouvel état quantique. Leurs travaux élargissent notre compréhension de la dynamique hors d'équilibre des systèmes quantiques à N corps.
"Si vous pouvez établir les éléments de base de la dynamique de ce système, qui pourrait être considéré comme un prototype pour des systèmes plus complexes, alors cela vous donne une certaine compréhension du fonctionnement du monde quantique, " ajouta Dutta.
