Des expériences avec des atomes ultra-froids à la TU Wien ont montré des résultats surprenants :les nuages ​​d'atomes couplés se synchronisent en quelques millisecondes. Cet effet ne peut pas être expliqué par les théories standard.

Lorsque les atomes sont refroidis à une température presque nulle, leurs propriétés changent complètement. Ils peuvent se transformer en un Bose-Einstein-Condensat, un état ultra-froid de la matière, dans lequel les particules perdent leur individualité et ne peuvent être décrites que collectivement – ​​comme un seul objet quantique.

A la TU Wien (Vienne), les nuages ​​d'atomes ultra-froids sont étudiés depuis des années. Ils constituent un système modèle parfait pour étudier les questions fondamentales de la physique quantique à plusieurs particules. Désormais, l'équipe de recherche du professeur Jörg Schmiedmayer (Institut de physique atomique et subatomique, TU Wien) a trouvé des résultats remarquables qui ne peuvent être expliqués par aucune des théories existantes. Lorsque deux gaz quantiques ultra-froids sont couplés, ils peuvent se synchroniser spontanément, oscillant à l'unisson parfait après seulement quelques millisecondes. Cela signifie que les théories des manuels sur les condensats de Bose-Einstein doivent être revisitées. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Atomes dans le piège

"Nous utilisons une puce atomique spécialement conçue pour refroidir les atomes et modifier leurs propriétés", dit Jörg Schmiedmayer. "La puce peut piéger des centaines ou des milliers d'atomes et manipuler leurs propriétés collectives avec des champs électromagnétiques."

En premier, un nuage d'atomes est refroidi à une température de quelques nanokelvins. "Puis, en utilisant la puce atomique, nous créons une barrière, séparer le nuage en deux parties", dit Marine Pigneur, premier auteur de l'article et Ph.D. étudiant dans l'équipe de Schmiedmayer. « Si la barrière est suffisamment basse, les atomes peuvent encore passer d'un côté à l'autre par un effet appelé effet tunnel quantique. Par conséquent, les deux nuages ​​atomiques ne sont pas complètement indépendants, ils sont couplés."

Selon la physique quantique, chaque objet peut être décrit comme une vague. Les propriétés des vagues ne nous sont pas visibles, car les objets que nous traitons chaque jour sont trop gros et trop chauds. Le comportement des atomes froids, cependant, est fortement influencée par ces propriétés ondulatoires.

L'une de ces propriétés est la phase, ce que l'on peut comprendre en comparant l'onde quantique à une horloge à retardement :"Imaginez deux horloges pendulaires identiques", dit Jörg Schmiedmayer. "Ils peuvent être parfaitement synchronisés, de sorte que les deux pendules atteignent leur point le plus bas exactement en même temps, mais typiquement, leur mouvement est un peu désynchronisé. Dans ce cas, on parle d'un déphasage entre les deux pendules."

Lorsque les deux nuages ​​d'atomes sont créés, ils démarrent sans déphasage – ils sont parfaitement synchronisés. Mais en utilisant la puce atomique, ils peuvent être désynchronisés. La différence de phase quantique entre les deux nuages ​​d'atomes (la mesure dans laquelle ils sont désynchronisés) peut être contrôlée avec une grande précision. Après, les deux nuages ​​sont soigneusement surveillés pour voir si cette différence de phase change au fil du temps.

Si deux pendules classiques sont couplés par un élastique, la bande va dissiper une partie de l'énergie et les deux pendules vont se synchroniser. Quelque chose de similaire arrive aux deux nuages ​​d'atomes :s'ils sont couplés, ils se synchronisent automatiquement, dans un laps de temps remarquablement court. "Cela semble normal, quand on pense aux horloges à pendule, mais selon les théories bien établies de Bose-Einstein-Condensats, c'est assez surprenant car nous n'avons pas de dissipation", dit Jörg Schmiedmayer. "Dans un système quantique comme le nôtre, qui est à l'abri de l'environnement, nous nous attendrions à ce que des périodes de synchronisation alternent avec une désynchronisation pour toujours."

A la recherche d'un mécanisme inconnu

"Dans le processus de désynchronisation des horloges, nous déséquilibrons le système", dit Marine Pigneur. "La plupart des théories décrivent avec succès le couplage de Bose-Einstein-Condensats à l'équilibre, mais ils sont insuffisants pour décrire la situation de déséquilibre et la synchronisation que nous observons. Le système étant isolé de son environnement, l'énergie ne peut pas être dissipée mais seulement transférée. "Le couplage tel qu'il est expliqué dans les théories des manuels ne peut pas transférer l'énergie aussi fortement et rapidement que nous l'observons. Donc, soit ces théories manquent quelque chose - ou elles sont tout simplement fausses. Cela signifie que c'est notre compréhension de l'interaction entre les atomes eux-mêmes qui doit être modifié."

Avec cette découverte surprenante, l'équipe de recherche espère stimuler d'autres recherches dans ce domaine. "Après tout, le comportement des systèmes quantiques à plusieurs corps hors d'équilibre est l'un des grands problèmes non résolus de la physique moderne", dit Jörg Schmiedmayer. "Cela est lié à de nombreuses questions fondamentales - de l'état de l'univers primitif juste après le big bang à la question de savoir pourquoi d'étranges effets quantiques ne peuvent être observés qu'à une échelle minuscule, alors que les objets plus gros obéissent aux lois de la physique classique."