Le phénomène de métastabilité, dans lequel un système est dans un état stable mais pas celui de moindre énergie, est largement observée dans la nature et la technologie. Encore, de nombreux aspects sous-jacents aux mécanismes régissant le comportement et la dynamique de tels systèmes restent inexplorés. Les physiciens de l'ETH Zurich ont maintenant démontré une plate-forme prometteuse pour étudier la métastabilité à un niveau fondamental, à l'aide d'un gaz extrêmement bien contrôlé composé de quelques dizaines de milliers d'atomes.

Les exemples incluent la neige sur une pente au repos pendant des jours avant une avalanche, ou des liaisons dans les macromolécules qui changent radicalement lors d'une activation appropriée - de tels systèmes résident pendant de longues périodes dans un état avant de passer rapidement à un autre plus énergétiquement favorable. Plusieurs aspects de la métastabilité sont bien compris, mais surtout, la dynamique de commutation d'un état à un autre reste inconnue, car peu d'outils sont disponibles pour surveiller directement de tels processus.

Lorenz Hruby et ses collègues du groupe de Tilman Esslinger à l'Institute for Quantum Electronics ont abordé le problème à un niveau très fondamental, comme ils le rapportent dans un article publié cette semaine en ligne dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Ils ont créé des états métastables dans un système quantique artificiel à plusieurs corps, un gaz atomique dont les propriétés quantiques fondamentales sont connues avec précision et dont ils peuvent contrôler le comportement avec une grande précision et flexibilité. Dans ce système, Hruby et al. observé deux états métastables caractérisés par l'ordre des atomes, rappelant les structures distinctes que les macromolécules peuvent adopter. Surtout, ils ont réussi à surveiller en temps réel comment le gaz basculait entre ces deux états. Ils ont découvert que pendant le processus de commutation, plusieurs milliers d'atomes se déplacent par effet tunnel quantique à l'échelle de temps à laquelle des particules individuelles changent de position.

En tant que déclencheur de cette "avalanche tunnel, " l'équipe a identifié des processus à la surface du gaz atomique. En comparant les observations expérimentales avec un modèle théorique, ils ont déterminé que l'échelle de temps de commutation est définie par les interactions entre les atomes eux-mêmes, plutôt que par des paramètres de contrôle externes. Au cœur de ce processus se trouvait la capacité des chercheurs à laisser les atomes interagir simultanément sur des distances courtes (atome-atome) et longues. Cela permet aux particules de s'engager dans une interaction complexe qui donne lieu à des propriétés intrigantes dans une grande variété de matériaux et, à la fois, pour coupler la surface du système à son noyau.

L'étude fournit des informations fondamentales sur les états métastables de la matière et sur les processus permettant de basculer entre ces états. Le degré élevé de contrôle démontré dans ces expériences, avec la possibilité de comparer les résultats expérimentaux avec des modèles théoriques, pourrait fournir une plate-forme polyvalente pour étudier la dynamique des états métastables et des processus associés avec des détails sans précédent.