Ces jours, les films et les jeux vidéo restituent des images 3D de plus en plus réalistes sur des écrans 2D, donnant aux téléspectateurs l'illusion de contempler un autre monde. Pour de nombreux physiciens, bien que, garder les choses à plat est beaucoup plus intéressant.

L'une des raisons est que les paysages plats peuvent débloquer de nouveaux modèles de mouvement dans le monde quantique des atomes et des électrons. Par exemple, l'élimination de la troisième dimension permet à une toute nouvelle classe de particules d'émerger - des particules qui ne s'intègrent pas parfaitement dans les deux classes, bosons et fermions, fourni par la nature. Ces nouvelles particules, connu sous le nom d'anyons, changent de nouvelles façons lorsqu'ils changent de place, un exploit qui pourrait un jour alimenter une race spéciale d'ordinateurs quantiques.

Mais les anyons et les conditions qui les produisent ont été extrêmement difficiles à repérer dans les expériences. Dans une paire d'articles publiés cette semaine dans Lettres d'examen physique , Le boursier JQI Alexey Gorshkov et plusieurs collaborateurs ont proposé de nouvelles façons d'étudier cette physique plate inhabituelle, suggérant qu'un petit nombre d'atomes contraints pourraient servir de remplaçants pour les électrons capricieux initialement prédits pour présenter des caprices de faible dimension.

"Ces deux articles s'ajoutent à la littérature croissante démontrant la promesse des atomes froids pour étudier la physique exotique en général et anyons en particulier, " dit Gorshkov. " Couplé avec les avancées récentes dans les expériences sur les atomes froids, y compris par le groupe de Ian Spielman au JQI, ce travail fait allusion à des démonstrations expérimentales passionnantes qui pourraient être au coin de la rue. "

Dans le premier article, qui a été sélectionné comme suggestion des éditeurs, Gorshkov et ses collègues ont proposé de rechercher une nouvelle signature expérimentale d'anyons, qui pourrait être visible dans une petite collection d'atomes sautant dans une grille 1D. Des travaux antérieurs ont suggéré que de tels systèmes pourraient simuler le comportement d'échange de n'importe qui, mais les chercheurs ne connaissaient que des moyens de détecter les effets à des températures extrêmement froides. Au lieu, Fangli Liu, un étudiant diplômé à JQI, avec Gorshkov et d'autres collaborateurs, trouvé un moyen de détecter la présence d'anyons sans avoir besoin de climats aussi glacials.

Ordinairement, atomes répartis symétriquement dans le temps dans une grille 1D, mais anyons favorisera généralement la gauche sur la droite ou vice versa. Les chercheurs ont fait valoir que des modifications directes du laser utilisé pour créer la grille feraient que les atomes sauteraient moins comme eux-mêmes et plus comme n'importe qui. En mesurant la façon dont le nombre d'atomes à différents endroits change au fil du temps, il serait alors possible de repérer l'asymétrie attendue des anyons. Par ailleurs, le réglage du laser faciliterait le changement de direction privilégiée dans l'expérience.

"La motivation était d'utiliser quelque chose qui ne nécessitait pas de températures extrêmement froides pour sonder les anyons, " dit Liu, l'auteur principal de l'article. « L'espoir est que certaines idées similaires puissent être utilisées dans des contextes plus généraux, comme chercher des asymétries liées en deux dimensions.

Dans le deuxième article, Gorshkov et un groupe distinct de collaborateurs ont trouvé des preuves théoriques d'un nouvel état de la matière étroitement lié à un liquide de Laughlin, l'exemple prototypique d'une substance d'ordre topologique. Dans un liquide Laughlin, les particules - à l'origine des électrons - trouvent des moyens élaborés de s'éviter, conduisant à l'émergence d'anyons qui ne portent qu'une fraction de la charge électrique détenue par un électron.

"Les Anyons sont encore des constructions théoriques, " dit Tobias Grass, chercheur postdoctoral à JQI et auteur principal du deuxième article, "et les expériences doivent encore les démontrer de manière concluante."

Bien que des charges fractionnaires aient été observées dans des expériences avec des électrons, bon nombre de leurs autres propriétés prédites sont restées non mesurables. Cela rend difficile la recherche d'autres comportements intéressants ou l'étude plus approfondie des liquides de Laughlin. Herbe, Gorshkov et leurs collègues ont suggéré un moyen de manipuler les interactions entre une poignée d'atomes et ont découvert un nouvel état de la matière qui mélange les caractéristiques du liquide de Laughlin et une phase cristalline moins exotique.

Les atomes dans ce nouvel état s'évitent les uns les autres de la même manière que les électrons dans un liquide de Laughlin, et ils tombent également dans un motif régulier comme dans un cristal, bien que d'une manière étrange, avec seulement la moitié d'un atome occupant chaque site cristallin. C'est un mélange unique de symétrie cristalline et d'ordre topologique plus complexe, une combinaison qui a été peu étudiée auparavant.

"L'idée que vous avez un système bosonique ou fermionique, et puis des interactions émerge une physique complètement différente - ce n'est possible que dans les dimensions inférieures, " dit Grass. " Avoir une démonstration expérimentale de l'une de ces phases est juste intéressant d'un point de vue fondamental. "