Monika Aidelsburger utilise un type spécial de réseau optique pour simuler des phénomènes quantiques à plusieurs corps qui seraient autrement inaccessibles à l'exploration expérimentale. Elle a maintenant reçu une ERC Starting Grant pour poursuivre ce travail.

Durant la dernière décennie, chercheurs dirigés par le professeur Immanuel Bloch, titulaire d'une chaire de physique expérimentale au LMU, ont développé plusieurs techniques et stratégies pour sonder les secrets du monde quantique. Beaucoup de progrès ont été accomplis, mais de nombreux phénomènes d'intérêt restent inexplorés, et les schémas théoriques sont souvent difficiles à tester. L'équipe de Bloch s'intéresse principalement aux interactions quantiques qui peuvent être modélisées à l'aide de gaz ultrafroids piégés dans des réseaux optiques formés par des faisceaux laser. Dr Monika Aidelsburger, chef d'un groupe de recherche dans le département de Bloch, a maintenant reçu une subvention de démarrage hautement dotée par le Conseil européen de la recherche (ERC) pour étendre cette ligne de travail. Son objectif est d'utiliser des atomes d'ytterbium ultrafroids piégés dans des réseaux optiques pour simuler des modèles de comportement quantique dans la matière condensée à une échelle trois fois supérieure à celle des solides réels.

En effet, Aidelsburger, qui fait également partie du Max Planck Institute for Quantum Optics, espère aller plus loin dans cette stratégie, et l'utiliser pour simuler des « théories de jauge de réseau », qui décrivent les interactions fondamentales entre les particules en termes de « champs de jauge ». Dans ces modèles, les champs de matière (particules de substance) sont représentés par des points sur un réseau fictif, et les champs de force qui agissent sur eux sont représentés par les liens entre ces nœuds. Les théories de jauge sur réseau sont d'une importance fondamentale dans de nombreuses branches de la physique quantique. Non seulement ils forment la base du modèle standard de la physique des particules, ils peuvent également être appliqués à la physique qui sous-tend le comportement des électrons en interaction forte dans les solides, et peut expliquer des phénomènes importants en électrodynamique quantique. Par conséquent, L'approche expérimentale d'Aidelsburger pour simuler les théories de jauge de réseau dans les réseaux optiques fournirait un lien entre la physique classique et quantique, et permettre des simulations analogues de phénomènes observés dans des contextes autres que la physique du solide. Les recherches d'Aidelsburger se sont jusqu'à présent concentrées sur la simulation des effets des champs magnétiques. "C'est parce que les champs magnétiques peuvent aussi être décrits en termes de champs de jauge, " explique-t-elle. Les physiciens espèrent étendre ces idées et les appliquer à d'autres phénomènes quantiques à N corps qui sont restés largement inaccessibles.

Deux états de longue durée

La plate-forme expérimentale est en cours de conception et bientôt les tables optiques du laboratoire d'Aidelsburger seront équipées de lentilles et de miroirs soigneusement positionnés, lasers et fibres optiques. Des manipulations contrôlées d'atomes ultrafroids dans des réseaux optiques ont déjà été utilisées avec succès pour sonder et simuler des phénomènes quantiques qui ont été observés dans des systèmes de matière condensée. Ces expériences ont été menées dans des conditions dans lesquelles les atomes peuvent « tunnel » entre les sites du réseau, bien que leurs mouvements collectifs soient influencés par les paramètres globaux des réseaux. L'extension de la stratégie aux théories de jauge sur réseau nécessitera un contrôle spécifique au site sur les mouvements des atomes dans le réseau.

Mettre en place une telle expérience est extrêmement exigeant, car les symétries inhérentes aux théories de jauge doivent être reproduites avec précision. « Une mise en œuvre réussie nécessite l'utilisation d'approches complètement nouvelles, " dit Aidelsburger. " Cela comporte un risque élevé, mais disposer d'un simulateur quantique fonctionnel d'un tel modèle constituerait une avancée considérable. générer et manipuler des réseaux optiques et contrôler les mouvements des atomes de divers éléments tels que le rubidium, sodium et lithium, pour n'en citer que quelques-uns. Les expériences d'Aidelsburger utiliseront des atomes d'yterbium (Yb), parce qu'ils présentent deux états quantiques à longue durée de vie, ce qui les rend particulièrement utiles pour les simulations prévues. Des faisceaux laser fortement focalisés seront utilisés pour contrôler spécifiquement les mouvements des atomes à l'intérieur du réseau. Dans la simulation, les deux états atomiques joueront à la fois le rôle des particules de matière et des particules qui médiatisent les forces qui agissent sur elles.

Il est techniquement possible de coupler le mouvement des deux états à longue durée de vie des atomes Yb dans le réseau. "Ce couplage local nous permet pour la première fois de représenter expérimentalement les briques fondamentales des théories de jauge sur réseau simples dans un cadre expérimental, " dit Aidelsburger. De plus, la technique peut être directement étendue à des structures en treillis plus grandes et à des dimensions plus élevées. Cela permettrait aux chercheurs de simuler des théories de jauge sur réseau qui jouent un rôle important à la fois dans la physique de la matière condensée et dans l'électrodynamique quantique à l'aide de procédures expérimentales maniables. Ce serait une réalisation vraiment révolutionnaire. "Notre stratégie ouvre des opportunités expérimentales entièrement nouvelles pour explorer certains phénomènes et développer des idées pour de nouvelles théories, " dit Aidelsburger.

Les réglages fins

La perspective de pouvoir travailler les prochaines années dans le département d'Immanuel Bloch en tant que professeur tenure track a été l'une des raisons pour lesquelles elle a décidé de retourner à Munich après son passage en post-doctorat au Collège de France à Paris. "Les jeunes chercheurs ont besoin de telles perspectives à plus long terme, " elle dit, "surtout s'ils souhaitent mener à bien une tâche expérimentale aussi complexe et exigeante." La conception et la construction d'un nouveau système peuvent prendre jusqu'à trois ans. On commence par des modèles simples, et demande si leur simulation produit des résultats en accord avec ceux obtenus avec la théorie, ou sont compatibles avec les prédictions dérivées à l'aide de méthodes numériques bien établies, telles que les simulations de Monte Carlo. Ces tests servent d'échelle d'étalonnage pour les expériences - et permettent aux chercheurs d'ajuster les conditions de manière appropriée et d'augmenter progressivement le niveau de complexité des expériences. En outre, les systèmes expérimentaux doivent être constamment contrôlés pour s'assurer qu'ils fournissent une description correcte des phénomènes qu'ils se proposent de décrire. "C'est là qu'une collaboration étroite avec des théoriciens d'autres domaines est particulièrement importante, " dit Aidelsburger. " Les risques encourus sont considérables, car c'est un territoire largement inconnu pour nous tous. Nous devons réunir des domaines très différents de la physique. C'est mon espoir fervent que les premières expériences avec des modèles simples donneront des résultats qui trouveront un écho dans diverses disciplines."

Dans les modèles les plus simples, les atomes Yb peuvent adopter l'un ou l'autre de deux états définis, l'état fondamental et un seul état excité métastable. L'objectif est d'ajouter progressivement d'autres états au système, permettant de mettre en œuvre des interactions plus complexes. Ce serait une étape importante vers l'objectif ultime d'utiliser des atomes ultrafroids pour simuler la force nucléaire forte - l'interaction entre les quarks (les constituants fondamentaux des noyaux atomiques) et les gluons (les particules de force qui maintiennent les noyaux atomiques ensemble). Cette dernière tâche nécessitera la mise en œuvre de théories de jauge sur réseau beaucoup plus complexes.

Les cellules individuelles dans des réseaux optiques bidimensionnels constitués de 100 × 100 atomes peuvent désormais être adressées et leurs occupations contrôlées, permettant d'observer en détail les effets dynamiques. Ainsi, il est possible de déterminer si une cellule de réseau particulière est occupée ou non dans des conditions spécifiques, et l'état de chaque atome du réseau peut être sondé pratiquement en temps réel. Avec ces réalisations à leur actif, les physiciens sont en passe de réaliser l'idée d'un simulateur quantique que le célèbre physicien américain Richard Feynman a formulée dans les années 1980. "Nous espérons que notre configuration ouvrira la voie à l'étude expérimentale des problèmes fondamentaux de la chromodynamique quantique, ", dit Aidelsburger - avant d'ajouter un qualificatif emphatique:"Mais nous en sommes encore au tout début."