En physique quantique, certains des effets les plus intéressants sont le résultat d'interférences. Décohérence, ou perte de cohérence, se produit lorsqu'un système quantique perd finalement la capacité de produire des interférences, en raison d'un bruit externe ou d'un couplage à un système plus grand et non surveillé (c'est-à-dire l'environnement environnant).

Alors que de nombreuses études ont étudié la décohérence dans des systèmes simples et bien isolés, tels que des atomes simples ou des ions, Jusqu'à présent, on sait très peu de choses sur la décohérence dans les systèmes à plusieurs corps. De nombreux systèmes corporels sont des systèmes constitués de nombreuses particules en interaction, dans lequel les corrélations et interactions interparticulaires peuvent considérablement modifier la dynamique dissipative.

Une équipe de chercheurs du Collège de France et du Laboratoire Kastler Brossel (unité mixte de recherche CNRS-ENS-Paris Sciences et Lettres et Sorbonne Université) en France s'est récemment lancée dans l'étude de la décohérence d'un système dissipatif à N corps, spécifiquement un gaz composé de bosons en interaction forte. Leur étude, présenté dans Physique de la nature , s'inscrit dans un axe de recherche plus général qui porte sur la décohérence dans les systèmes quantiques.

Des études antérieures suggèrent qu'il existe un lien profond entre la décohérence et les processus de mesure habituellement utilisés en mécanique quantique. Les chercheurs ont basé leur étude sur cette découverte importante et ont essayé de l'utiliser pour recueillir des observations sur la décohérence dans les systèmes à plusieurs corps.

"Alors que le phénomène de décohérence est bien connu pour les systèmes quantiques simples, comme un atome ou un ion, l'étude des systèmes à N corps contenant un très grand nombre de particules a à peine commencé, " dit Gerbier. " En partie, cela est dû à la difficulté de modéliser le comportement hors équilibre des systèmes à plusieurs corps, un domaine qui n'a progressé que récemment. Notre travail a été motivé par la théorie développée par D. Poletti et co-auteurs dans le groupe de Corinna Kollath et Antoine Georges."

Au cours de leur étude, Gerbier et ses collègues ont eu plusieurs discussions approfondies avec Kollath et Georges au sujet de leur théorie, qui a ainsi joué un rôle important dans leur travail. Dans leurs expériences, Gerbier et ses collègues ont placé un gaz composé de nombreux bosons en interaction forte dans un réseau optique qui a été exposé à un faible faisceau laser proche de la résonance. Le gaz quantique qu'ils utilisaient était composé d'atomes bosoniques d'ytterbium.

Le laser qu'ils ont utilisé fait passer en permanence les atomes de l'état fondamental électronique à un état excité, à partir duquel ils retombent à l'état fondamental en émettant un photon spontané. Cette configuration particulière correspond à une mesure faible et accordable expérimentalement des positions des atomes.

"L'émission spontanée est une mécanique de manuel pour la décohérence, " a expliqué Gerbier. " Il transforme une oscillation de cohérence Rabi en décroissance exponentielle et détruit également la cohérence de phase spatiale entre différents points qui existent dans une onde de matière macroscopique comme les condensats de Bose-Einstein réalisés dans nos expériences. "

De façon intéressante, Gerbier et ses collègues ont observé une sous-diffusion anormale dans l'espace de quantité de mouvement, ce qui reflète finalement l'émergence d'états à plusieurs corps lentement relaxants dans le gaz. Ces états sont similaires aux états subradiants de nombreux émetteurs excités.

Essentiellement, les chercheurs ont découvert que la décohérence est plus lente pour un système à plusieurs corps en interaction forte que pour une collection de particules individuelles indépendantes. Au lieu de la décroissance exponentielle standard trouvée dans les particules individuelles, ils ont observé une désintégration algébrique (c'est-à-dire une loi de puissance) et une cohérence à courte distance qui persiste plus longtemps qu'elle ne le ferait si les atomes n'interagissaient pas.

Cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour l'étude des systèmes ouverts à N corps, offrant une référence pour les enquêtes futures. Des comportements similaires en loi de puissance ont été notés dans des études théoriques de différents systèmes à N corps, comme les chaînes de spin dans un champ magnétique fluctuant ou l'influence des interactions dipôle-dipôle sur les horloges optiques, mais ils n'ont pas encore été observés expérimentalement.

"Nous prévoyons maintenant d'étudier plus avant comment la relaxation et la décohérence affectent les propriétés des systèmes quantiques à N corps, en utilisant la flexibilité des atomes ultrafroids pour le faire (varier la géométrie, dimensionnalité, les mécanismes de décohérence, etc..), " a déclaré Gerbier.

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