Un système composé d'une poignée de particules agit comme de plus grands systèmes, permettant aux scientifiques d'étudier plus facilement le comportement quantique.

La plupart des substances étudiées par les physiciens sont constituées d'un nombre énorme de particules, si grandes qu'il n'y a pratiquement aucune différence entre les propriétés comportementales d'une goutte ou la valeur de l'eau pure d'une piscine. Même une seule goutte peut contenir plus d'un milliard de particules.

Cela rend la compréhension de leur comportement collectif relativement facile. Par exemple, l'eau dans la goutte et dans la piscine gèlera à 0C et bouillira à 100C.

De telles « transitions de phase » (c'est-à-dire du liquide au solide ou du liquide au gaz) peuvent apparaître brutales dans ces grands systèmes, parce que tant de particules sont impliquées qu'elles semblent toutes agir en même temps. Mais qu'en est-il dans les systèmes beaucoup plus petits ? Lorsqu'il n'y a qu'une poignée de particules, les mêmes règles de transitions de phase s'appliquent-elles ?

Pour répondre à ces questions, une équipe de scientifiques de l'Imperial College de Londres, l'Université d'Oxford et l'Institut de technologie de Karlsruhe, Allemagne, fait un système de moins de 10 photons, les particules fondamentales de la lumière. Les résultats de leurs expériences, publié aujourd'hui dans Physique de la nature , montrent que les transitions de phase se produisent encore dans les systèmes composés d'aussi peu que sept particules en moyenne.

L'étude du comportement quantique des particules est beaucoup plus facile avec moins de particules, ainsi, le fait que des transitions de phase se produisent dans ces petits systèmes signifie que les scientifiques sont mieux à même d'étudier les propriétés quantiques telles que la cohérence.

Auteur principal Dr Robert Nyman, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré : « Maintenant qu'il est confirmé que la « transition de phase » est toujours un concept utile dans de si petits systèmes, nous pouvons explorer les propriétés d'une manière qui ne serait pas possible dans des systèmes plus grands.

"En particulier, nous pouvons étudier les propriétés quantiques de la matière et de la lumière, ce qui se passe à la plus petite échelle lorsque des transitions de phase se produisent."

Le système étudié par l'équipe était un condensat de Bose-Einstein (BEC) de photons. Les BEC se forment lorsqu'un gaz de particules quantiques est si froid ou si proche les unes des autres qu'elles ne peuvent plus être distinguées. Un BEC est un état de la matière qui a des propriétés très différentes des solides, liquides, gaz ou plasmas.

L'équipe a découvert qu'en ajoutant des photons au système, une transition de phase vers un BEC se produirait une fois que le système atteindrait environ sept photons, moins que dans tout autre BEC vu auparavant. Étant si petit, la transition a été moins abrupte que dans les systèmes plus grands comme les flaques d'eau, mais le fait que la transition se soit produite à un point prévisible reflète bien les systèmes plus grands.

Le système a été créé avec un appareil simple :un colorant fluorescent et des miroirs incurvés. Cela signifie qu'en plus d'être utile dans l'étude des propriétés quantiques, le système pourrait être utilisé pour créer et manipuler des états de lumière spéciaux.

Co-auteur Dr Florian Mintert, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré:"Avec le meilleur de deux mondes distincts - la physique des transitions de phase et l'accessibilité des petits systèmes - cette source de lumière inhabituelle a des applications potentielles dans la mesure ou la détection."