En étudiant des atomes ultrafroids piégés dans des cristaux de lumière artificiels, Guillaume Salomon, un post-doctorant au Max-Planck-Institute of Quantum Optics et une équipe de scientifiques ont pu observer directement un effet fondamental des systèmes quantiques unidimensionnels. En détectant les atomes un par un, l'équipe a observé un étirement de l'ordre magnétique lors de la dilution des atomes dans le réseau. L'étude a été menée cette année dans la Division dirigée par Immanuel Bloch, directeur à l'Institut Max Planck d'optique quantique et professeur à l'Université Ludwig Maximilians de Munich. Les nouvelles découvertes sont pertinentes, par exemple, en relation avec des supraconducteurs à haute température qui conduisent l'électricité sans perte.

"Un problème crucial lié à la supraconductivité à haute température est de comprendre l'interaction entre le magnétisme et le dopage, d'où peuvent émerger des phases électroniques exotiques. Cependant, notre connaissance est fortement dépendante de la dimensionnalité du système, et les expériences sur les gaz quantiques peuvent aider à combler le fossé entre une et deux dimensions, " dit Guillaume Salomon, qui est impliqué dans la recherche dans ce domaine depuis 2014.

Dans l'étude actuelle, les scientifiques de l'Institut Max Planck d'optique quantique, En collaboration avec des chercheurs des départements de physique de l'Université Ludwig Maximilians et de l'Université de Trente, ils ont piégé un nuage d'atomes de lithium-6 à 7 nanokelvins dans un cristal léger pour réaliser un modèle de Fermi-Hubbard propre et bien contrôlé.

Le modèle de Fermi-Hubbard est le modèle le plus simple pour les systèmes électroniques dans lesquels les interactions jouent un rôle important (c'est-à-dire les systèmes fortement corrélés). Il décrit des atomes de spin up ou de spin down dans un réseau qui n'interagissent de manière répulsive que s'ils sont situés dans le même site. Lorsqu'il y a en moyenne un atome sur chaque site, l'ordre antiferromagnétique se produit lorsque les spins sur les sites voisins sont anti-alignés.

Lorsque le système est dilué, le nombre d'atomes dans le réseau est réduit (dopé) et la périodicité de cet ordre magnétique change comme un accordéon qui s'étire. Au lieu de trouver des spins opposés sur des sites voisins, on les trouvera anti-alignés à de plus grandes distances en moyenne. Les corrélations de spin sont alors dites incommensurables. On s'attend également à ce qu'un tel effet se produise lorsque les nombres de spins ascendants et descendants diffèrent (polarisation de spin).

Les scientifiques ont utilisé une technique appelée microscopie quantique à gaz à résolution de spin, qui permet d'imager à la fois les positions et les spins de tous les atomes simultanément, et mesurer les corrélations de spin. Ils ont observé l'émergence de telles corrélations de spin incommensurables, qui varient linéairement avec le dopage et la polarisation, en excellent accord avec les prédictions théoriques.

"La partie la plus fascinante de ce projet de recherche a été le démêlage des effets de la polarisation du spin et du dopage sur les corrélations de spin dans une dimension où se produit la séparation spin-charge. La capacité de mesurer tous les spins et positions des particules dans un quantum fortement corrélé système à N corps nous permet de calculer des fonctions de corrélation arbitraires semblables à des études numériques sur ordinateur et de tester quantitativement des prédictions fondamentales malgré la température finie de nos systèmes, ", explique Salomon.

« Au terme de cette étude, nous avons observé dans le modèle de Fermi-Hubbard dopé des différences fondamentales entre une dimension et deux dimensions. Nos résultats sont une référence importante pour d'autres études du régime de croisement dimensionnel, dont on sait très peu de choses jusqu'à présent, " ajoute Christian Gross, qui dirige le groupe de recherche.