Les physiciens de l'Université Rice, Matthew Foster et Seth Davis, veulent voir un puzzle quantique déroutant sous un tout nouveau point de vue. Ils ont juste besoin du bon point de vue et d'un endroit plus froid que l'espace lointain.

"Il y a un processus en physique à forte interaction où les particules fondamentales, comme les électrons, peuvent se rassembler et se comporter comme s'ils étaient une fraction d'électron, " dit Davis, un étudiant diplômé du groupe de recherche de Foster. "C'est ce qu'on appelle le fractionnement. C'est vraiment exotique, processus fondamental qui apparaît théoriquement dans de nombreux endroits. Cela peut avoir quelque chose à voir avec la supraconductivité à haute température, et cela pourrait être utile pour construire des ordinateurs quantiques. Mais c'est très difficile à comprendre et encore plus difficile à mesurer."

Dans un article récent de Lettres d'examen physique , Foster et Davis, deux physiciens théoriciens, a proposé une expérience pour mesurer le fractionnement non pas dans les électrons mais dans les atomes si froids qu'ils suivent les mêmes règles quantiques qui dictent le comportement des électrons dans les matériaux quantiques, une classe croissante de matériaux dotés de propriétés électroniques et physiques exotiques que les gouvernements et l'industrie recherchent pour les ordinateurs et les appareils électroniques de nouvelle génération.

Les matériaux quantiques comprennent les supraconducteurs à haute température, l'un des mystères les plus déroutants de la physique, et des matériaux qui présentent des phases topologiques, qui a valu à ses découvreurs le prix Nobel de physique 2016. Ce dernier est le seul endroit où les physiciens ont mesuré sans ambiguïté le fractionnement, dans un état électronique exotique appelé effet Hall quantique fractionnaire. Dans cet état, les matériaux plats bidimensionnels ne conduisent l'électricité que le long de leurs bords unidimensionnels.

"C'est un exemple en 2D, " dit Foster, professeur assistant de physique et d'astronomie à Rice. "Et il est clair que le fractionnement se produit là-bas, car si vous mesurez la conductance de ces états de bord, ils se comportent comme s'ils étaient constitués de particules qui se comportent comme un tiers d'électron.

"Il n'y a pas de vraies particules portant un tiers de la charge électrique, " il a dit. " C'est juste l'effet de tous les électrons se déplaçant ensemble de telle manière que si vous créez une excitation locale, il se comportera comme un électron avec un tiers de charge."

Foster et Davis ont déclaré que la principale motivation pour décrire leur test atomique ultrafroid était de pouvoir observer le fractionnement dans un système très différent de l'exemple du Hall quantique fractionnaire.

"Ce que nous visons, c'est simplement de voir cette physique dans un autre contexte d'une manière non ambiguë, " dit Foster, membre du Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

L'expérience qu'ils proposent fait appel à des atomes refroidis par laser pour remplacer les électrons. Dans de telles expériences, les lasers s'opposent au mouvement des atomes, les ralentissant progressivement à des températures de plus en plus froides. Les atomes froids sont piégés par d'autres lasers qui forment des guides d'ondes optiques, canaux unidimensionnels où les atomes peuvent se déplacer à gauche ou à droite mais ne peuvent pas se déplacer les uns autour des autres. Le comportement quantique des atomes dans ces guides unidimensionnels imite le comportement des électrons dans les fils 1D.

"Tous les éléments individuels de l'expérience ont été développés, mais nous ne pensons pas qu'ils aient été rassemblés dans une configuration expérimentale unique, " Foster a déclaré. "C'est là que nous avons besoin de l'aide d'expérimentateurs qui sont des experts en refroidissement laser."

Pour observer le fractionnement dans un système ultrafroid, Foster et Davis proposent de créer un ensemble de guides d'ondes 1D parallèles qui sont tous dans le même plan bidimensionnel. Quelques atomes supplémentaires peupleraient les guides 1D près du centre de l'expérience.

"Nous allons donc commencer par les fils 1D', ' ou des guides, et la densité initiale au milieu, puis nous laisserons tomber certains des lasers et laisserons les atomes interagir entre les fils dans une sorte de maillage 2D, " Foster a déclaré. "Nous pouvons décrire très précisément le système 1D, où les interactions fortes font que les atomes se comportent de manière corrélée. Parce que l'ensemble du système est quantique et cohérent, ces corrélations devraient être imprimées sur le système 2-D.

"Notre sonde lâche cette bosse de densité supplémentaire et regarde ce qu'elle fait, " dit-il. " Si les atomes dans les guides 1D n'interagissent pas, alors la bosse s'étendra juste entre les fils. Mais, s'il y a eu un fractionnement initial dû à des effets corrélés dans les fils, ce que nous pouvons calculer avec confiance, c'est que la densité fera quelque chose de complètement différent. ça ira dans l'autre sens, voler le long des fils."

Foster a déclaré qu'il souhaitait discuter de la faisabilité du test avec des expérimentateurs atomiques ultrafroids.

"Nous savons qu'il peut falloir des années pour construire et perfectionner certaines des configurations expérimentales pour ce genre d'expériences, " a déclaré Foster. " En tant que théoriciens, nous connaissons les ingrédients dont nous avons besoin, mais nous ne savons pas ceux qui seront les plus difficiles à mettre en œuvre ou s'il peut être plus facile de modifier certaines configurations par rapport à d'autres. C'est là que nous aurons besoin de l'aide de nos collègues expérimentateurs."