Lorsque vous placez un plateau d'eau dans le congélateur, vous obtenez des glaçons. Maintenant, des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder et de l'Université de Toronto ont réalisé une transition similaire en utilisant des nuages ​​d'atomes ultrafroids.

Dans une étude qui paraîtra le 2 août dans la revue Avancées scientifiques , l'équipe a découvert qu'elle pouvait pousser ces matériaux quantiques à subir des transitions entre les "phases dynamiques" - essentiellement, sauter entre deux états dans lesquels les atomes se comportent de manière complètement différente.

"Cela arrive brutalement, et cela ressemble aux transitions de phase que nous voyons dans des systèmes comme l'eau qui devient glace, " a déclaré Ana Maria Rey, co-auteur de l'étude. " Mais contrairement à ce plateau de glaçons dans le congélateur, ces phases n'existent pas en équilibre. Au lieu, les atomes changent et évoluent constamment au fil du temps."

Les résultats, elle a ajouté, ouvrir une nouvelle fenêtre sur des matériaux difficiles à étudier en laboratoire.

"Si tu veux, par exemple, concevoir un système de communication quantique pour envoyer des signaux d'un endroit à un autre, tout sera déséquilibré, " dit Rey, un boursier au JILA, un institut conjoint entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST). "Une telle dynamique sera le problème clé à comprendre si nous voulons appliquer ce que nous savons aux technologies quantiques."

Les scientifiques ont déjà observé des transitions similaires dans des atomes ultrafroids, mais seulement parmi quelques dizaines d'atomes chargés, ou des ions.

Rey et ses collègues, en revanche, se sont transformés en nuages ​​composés de dizaines de milliers de non chargés, ou neutre, atomes fermioniques. Atomes fermioniques, elle a dit, sont les introvertis du tableau périodique des éléments. Ils ne veulent pas partager leur espace avec leurs congénères atomes, ce qui peut les rendre plus difficiles à contrôler dans les laboratoires d'atomes froids.

"Nous étions vraiment en train d'errer dans un nouveau territoire sans savoir ce que nous allions trouver, " a déclaré le co-auteur de l'étude Joseph Thywissen, professeur de physique à l'Université de Toronto.

Pour naviguer sur ce nouveau territoire, les chercheurs ont profité des faibles interactions qui se produisent entre des atomes neutres, mais uniquement lorsque ces atomes se heurtent dans un espace confiné.

D'abord, Thywissen et son équipe au Canada ont refroidi un gaz composé d'atomes de potassium neutres à seulement une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Prochain, ils ont accordé les atomes de sorte que leurs "tours" pointent tous dans la même direction.

De tels spins sont une propriété naturelle de tous les atomes, Thywissen a expliqué, un peu comme le champ magnétique terrestre, qui pointe actuellement vers le nord.

Une fois que les atomes étaient tous en formation, le groupe les a ensuite modifiés pour changer la force avec laquelle ils interagissaient les uns avec les autres. Et c'est là que le plaisir a commencé.

"Nous avons mené l'expérience en utilisant un type de champ magnétique, et les atomes dansaient d'une certaine manière, " dit Thywissen. " Plus tard, nous avons réexécuté l'expérience avec un champ magnétique différent, et les atomes ont dansé d'une manière complètement différente."

Dans la première danse, ou lorsque les atomes interagissaient à peine, ces particules tombèrent dans le chaos. Les spins atomiques ont commencé à tourner à leur propre rythme et ont rapidement tous pointé dans des directions différentes.

Pensez-y comme si vous vous trouviez dans une pièce remplie de milliers d'horloges avec des trotteuses fonctionnant toutes à des rythmes différents.

Mais ce n'était qu'une partie de l'histoire. Lorsque le groupe a augmenté la force des interactions entre les atomes, ils ont cessé d'agir comme des individus désordonnés et plus comme un collectif. Leurs tours ont encore coché, en d'autres termes, mais ils ont coché en synchronisation.

Dans cette phase synchrone, "les atomes ne sont plus indépendants, " dit Peiru He, un étudiant diplômé en physique à CU Boulder et l'un des principaux auteurs du nouvel article. "Ils se sentent, et les interactions les pousseront à s'aligner les uns sur les autres."

Avec les bons réglages, le groupe a aussi découvert qu'il pouvait faire autre chose :remonter le temps, provoquant le retour à la fois des phases synchronisées et désordonnées à leur état initial.

À la fin, les chercheurs n'ont pu maintenir ces deux phases dynamiques différentes de la matière que pendant environ 0,2 seconde. S'ils peuvent augmenter ce temps, Il a dit, ils pourront peut-être faire des observations encore plus intéressantes.

"Afin de voir une physique plus riche, nous devons probablement attendre plus longtemps, " Il a dit.