La physique exotique peut se produire lorsque des particules quantiques se rassemblent et se parlent. Comprendre de tels processus est un défi pour les scientifiques, parce que les interactions entre les particules peuvent être difficiles à entrevoir et encore plus difficiles à contrôler. De plus, les simulations informatiques modernes ont du mal à donner un sens à toutes les dynamiques complexes qui se déroulent dans un grand groupe de particules. Heureusement, des atomes refroidis à des températures proches de zéro peuvent donner un aperçu de ce problème.

Les lasers peuvent faire en sorte que les atomes froids imitent la physique observée dans d'autres systèmes, une approche qui est un terrain familier pour les physiciens atomiques. Ils utilisent régulièrement des faisceaux laser qui se croisent pour capturer des atomes dans un paysage de collines et de vallées appelé réseau optique. Atomes, une fois refroidi, vous n'avez pas assez d'énergie pour gravir les collines, et ils se coincent dans les vallées. Dans cet environnement, les atomes se comportent de la même manière que les électrons dans la structure cristalline de nombreux solides, cette approche fournit donc un moyen simple d'en apprendre davantage sur les interactions à l'intérieur de matériaux réels.

Mais la manière conventionnelle de fabriquer des réseaux optiques a certaines limites. La longueur d'onde de la lumière laser détermine l'emplacement des collines et des vallées, et ainsi la distance entre les vallées voisines - et avec cela l'espacement entre les atomes - ne peut être réduite qu'à la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Rapprocher les atomes au-delà de cette limite pourrait activer des interactions beaucoup plus fortes entre eux et révéler des effets qui, autrement, resteraient dans l'obscurité.

Maintenant, une équipe de scientifiques du Joint Quantum Institute (JQI), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique d'Innsbruck, L'Autriche, a contourné la limite de longueur d'onde en tirant parti des caractéristiques quantiques inhérentes des atomes, ce qui devrait permettre aux voisins du réseau atomique de se rapprocher plus que jamais. La nouvelle technique parvient à comprimer les douces collines en treillis dans des parois abruptes séparées par seulement un cinquantième de la longueur d'onde du laser, soit 25 fois plus étroite que possible avec les méthodes conventionnelles. L'oeuvre, qui se fonde sur deux propositions théoriques préalables, a été récemment publié dans Lettres d'examen physique .

Dans la plupart des réseaux optiques, les atomes sont arrangés en répétant des baisses régulières de l'intensité de la lumière laser, un mécanisme qui fonctionne également avec des objets non quantiques comme des bactéries ou même des billes de verre. Mais cela ignore de nombreuses caractéristiques quantiques inhérentes aux atomes. Contrairement aux perles de verre, atomes, provoqué par la lumière laser de certaines couleurs, peuvent basculer en interne entre différentes versions quantiques d'eux-mêmes, appelés états. L'équipe exploite cette propriété pour construire des treillis qui remplacent efficacement les collines par des caractéristiques hérissées.

"Le truc, c'est qu'on ne se fie pas à l'intensité de la lumière en elle-même, " explique Yang Wang, chercheur postdoctoral au JQI et auteur principal de l'article. "Au lieu, nous utilisons la lumière comme un outil pour faciliter un effet de mécanique quantique. Et cela crée le nouveau type de paysage pour les atomes."

Pour créer ce treillis, les chercheurs piègent les atomes dans un motif lumineux à deux tons. Chaque couleur est choisie de manière à pouvoir changer à elle seule l'état interne d'un atome, mais quand les deux couleurs se chevauchent, la couleur plus intense à chaque endroit prend en charge et décide dans quel état interne l'atome atterrit. Mais ce modèle n'est pas lisse - il y a de vastes vallées où l'atome préfère un état, interrompu par de fines bandes là où il doit basculer. Les règles de la mécanique quantique dictent que chaque fois qu'un atome change d'état, l'atome doit payer un prix sous forme d'énergie, tout comme gravir une colline. Alors qu'une transition en douceur peut apparaître comme une promenade dominicale vers l'atome, de grands changements sur des distances plus courtes évoluent rapidement vers une randonnée de plus en plus raide. Dans l'expérience, les fines bandes à l'intérieur du motif lumineux sont si étroites, qu'ils ressemblent à des murs infranchissables à l'atome, donc il les évite et reste coincé entre les deux.

Ces murs acérés sont une première étape importante dans la quête pour rapprocher encore plus les atomes. La nouvelle technique offre encore beaucoup d'espace pour que les atomes se déplacent dans le large, plaines plates, mais les chercheurs prévoient de réduire cette liberté en ajoutant plus de barrières. "Alors que nous prenons des mesures pour confiner de plus en plus les atomes, les effets quantiques entre les atomes devraient devenir de plus en plus importants, " dit Trey Porto, un Fellow JQI et un auteur de l'article. "Cela a un effet secondaire pratique, car cela augmente également la température à laquelle nous devons être pour voir un comportement quantique étrange. Le refroidissement est assez difficile, donc cela rendrait la physique que nous recherchons plus facilement accessible. »

L'équipe de recherche affirme que cet outil peut également être utile pour de futures expériences de chimie quantique, permettant aux scientifiques de rapprocher suffisamment les atomes pour s'engager dans une petite échelle, réaction très contrôlée.