Ce qui se passe exactement à l'intérieur des étoiles à neutrons – l'étape finale d'une étoile géante – est sujet à spéculation. En termes de physique, l'intérieur des étoiles à neutrons, les gaz atomiques froids et les systèmes nucléaires ont tous une chose en commun :ce sont des systèmes gazeux constitués de systèmes hautement interactifs, fermions superfluides. Les chercheurs ont alimenté le supercalculateur Piz Daint avec une nouvelle méthode de simulation, et les résultats offrent enfin un aperçu des processus inconnus de ces systèmes.

étoiles à neutrons, les gaz atomiques froids et les systèmes nucléaires sont tous des systèmes gazeux constitués d'éléments hautement interactifs, fermions superfluides, c'est-à-dire des systèmes dont la matière est constituée de particules à spin demi-entier (moment cinétique intrinsèque). La catégorie des fermions comprend les électrons, protons et neutrons. A des températures très basses, ces systèmes sont qualifiés de superfluides, ce qui signifie que les particules qu'elles contiennent ne génèrent aucun frottement interne et possèdent la propriété d'une conductivité thermique presque parfaite.

Ces gaz de Fermi superfluides ne se comportent pas selon les lois de la physique classique, mais peut plutôt être mieux décrit en utilisant les lois de la mécanique quantique. Gabriel Wlazłowski, professeur assistant à l'Université de technologie de Varsovie et à l'Université de Washington à Seattle, et son équipe ont récemment développé une nouvelle méthode basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Avec l'aide du supercalculateur Piz Daint, ils visent à créer une description très précise de ces systèmes de fermions superfluides et de leur dynamique. En d'autres termes, ils décriront comment les tourbillons se forment et se désintègrent dans ce "nuage atomique". Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Semblable à une soirée de danse folklorique

Dans les gaz de Fermi superfluides, des fermions individuels et des fermions corrélés se côtoient. A partir de corrélations entre particules de spins opposés, les propriétés supraconductrices des matériaux émergent. Fermions corrélés, comme les électrons dans les supraconducteurs, existent par paires sous forme de condensat et sont appelés paires de Cooper. Chaque paire peut se déplacer dans le système sans perte d'énergie. Cependant, pendant de nombreuses années, on a étudié ce qui se passe dans les cas de spin-déséquilibré, car toutes les particules ne peuvent pas trouver un partenaire de spin opposé pour former la paire de Cooper. "La situation est similaire à une soirée de danse folklorique, où les nombres d'hommes et de femmes sont déséquilibrés, quelqu'un serait frustré car il/elle ne peut pas former une paire, " dit Wlazłowski. Que font les atomes non appariés ? C'est exactement ce que les chercheurs ont étudié.

Une description précise des gaz de Fermi superfluides, en particulier des systèmes à spin déséquilibré, était auparavant très difficile. Le déséquilibre de spin se produit lorsqu'un système est affecté par un champ magnétique, dit Gabriel Wlazłowski. L'objectif du chercheur est désormais d'appliquer le formalisme DFT aux étoiles à neutrons ainsi qu'aux magnétars – étoiles à neutrons à fort champ magnétique – pour prédire ce qui se passe à l'intérieur. "Clairement, il n'y a aucun moyen de sonder explicitement l'intérieur des étoiles. Ainsi, il faut s'appuyer sur des simulations, pour lesquels nous avons besoin d'outils fiables, " dit Wlazłowski. Par conséquent, les chercheurs recherchaient un système terrestre qui partage beaucoup de similitudes avec le système cible. "Il s'avère que les gaz atomiques ultra-froids à interaction forte sont très similaires à la matière neutronique."

Pour leurs expériences numériques, les chercheurs ont utilisé la description théorique quantique la plus complète actuellement disponible pour les systèmes à plusieurs corps pour décrire ce type de système. Cela leur a permis de produire une théorie DFT plus approfondie pour les systèmes superfluides. Ils l'ont également combiné avec une approximation spéciale de la densité locale superfluide dépendante du temps pour un gaz de Fermi unitaire déséquilibré en spin. "Sans approximation, la DFT supraconductrice conduira à des équations intégro-différentielles qui sont hors de portée même pour les supercalculateurs exascale, " dit Wlazłowski. Avec leur étude actuelle, les chercheurs sont maintenant en mesure de démontrer que cette approximation fonctionne très bien dans les systèmes considérés.

Corrélation entre simulation et expérimentation

"En créant une visualisation des calculs et en comparant ces images avec des photos d'expériences, nous avons pu observer directement ces systèmes de mécanique quantique, " dit Wlazłowski. " La comparaison des résultats théoriques et expérimentaux a donné d'excellentes corrélations. " Cela a permis aux chercheurs d'apporter la preuve que leur nouvelle méthode de calcul du comportement de tels systèmes fonctionne. La prochaine étape sera pour eux d'appliquer la méthode aux processus qui ne sera jamais visible à l'œil nu, tels que ceux à l'intérieur des étoiles à neutrons.

Une autre découverte importante est venue des observations des chercheurs de trois modèles de désintégration de vortex différents dans les superfluides. Selon les chercheurs, les différents schémas de désintégration (voir figure) dépendent de la polarisation en spin des particules du système. Ils disent également que la polarisation est causée par l'effet d'aspiration des particules non appariées dans le gaz superfluide. En d'autres termes :la nature essaie de collecter des particules non appariées dans des régions, où ils n'entravent pas le flux. Les noyaux de vortex quantifiés sont de tels endroits, et la polarisation des différents vortex devrait alors les empêcher de se recoller, c'est du moins ce que prédisent les chercheurs. Ils supposent donc que les effets de polarisation ont une influence considérable sur les phénomènes quantiques et conduiront à de nouvelles, domaines de la physique encore à découvrir. "Toutefois, montrer que nous reproduisons certaines données ne suffit pas - pouvons-nous prédire quelque chose de complètement nouveau ?", se demanda Wlazłowski. Pour lui, le prochain obstacle important à surmonter sera de savoir si la méthode a un pouvoir prédictif.

Ce genre de problème très complexe nécessite une puissance de calcul énorme. Techniquement, les chercheurs résolvent des centaines de milliers d'équations aux dérivées partielles (PDE) non linéaires couplées 3D non linéaires dépendantes du temps. Pour cette raison, les auteurs de l'étude ont soumis une demande de temps de calcul au Partenariat pour l'informatique avancée en Europe (PRACE) et ont obtenu l'accès pour utiliser Piz Daint au CSCS, car, selon les auteurs, en Europe, seul Piz Daint peut gérer ce type de calculs.