Une photo du montage expérimental utilisé pour effectuer des études précises de physique universelle dans un échantillon atomique ultrafroid. Une myriade d'éléments (y compris les lasers, composants optiques, bobines de champ magnétique, et antennes RF) sont utilisés pour capturer des atomes d'une source de vapeur de potassium chaude (environ 400 Kelvin) (la chambre illustrée en haut à droite), refroidir l'échantillon de gaz à des températures ultrafroides (environ 10^-8 Kelvin) dans la chambre à ultravide (en haut à gauche), manipuler les états quantiques, effectuer une spectroscopie de précision, et l'imagerie des nuages ultrafroids. Crédit photo :Roman Chapurin.
Le concept de physique universelle est intrigant, car il permet aux chercheurs de relier les phénomènes physiques dans une variété de systèmes, indépendamment de leurs caractéristiques et complexités variables. Les systèmes atomiques ultrafroids sont souvent perçus comme des plateformes idéales pour explorer la physique universelle, grâce au contrôle précis des paramètres expérimentaux (tels que la force d'interaction, Température, densité, états quantiques, dimensionnalité, et le potentiel de piégeage) qui pourraient être plus difficiles à régler dans des systèmes plus conventionnels. En réalité, les systèmes atomiques ultrafroids ont été utilisés pour mieux comprendre une myriade de comportements physiques complexes, y compris ces sujets en cosmologie, particule, nucléaire, physique moléculaire, et surtout, en physique de la matière condensée, où les complexités des phénomènes quantiques à N corps sont plus difficiles à étudier en utilisant des approches plus traditionnelles.
Comprendre l'applicabilité et la robustesse de la physique universelle est donc d'un grand intérêt. Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Colorado Boulder ont mené une étude, récemment présenté dans Lettres d'examen physique , visant à tester les limites de l'universalité dans un système ultrafroid.
"Contrairement à d'autres systèmes physiques, la beauté des systèmes ultrafroids est que parfois nous sommes capables de supprimer l'importance du tableau périodique et de démontrer le phénomène similaire avec n'importe quelle espèce atomique choisie (que ce soit le potassium, rubidium, lithium, strontium, etc.), " Romain Chapurin, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Le comportement universel est indépendant des détails microscopiques. Comprendre les limites du phénomène universel est d'un grand intérêt."
En raison de la nature à quelques corps des interactions dans la plupart des systèmes ultrafroids, les chercheurs doivent acquérir une meilleure connaissance de la physique à quelques particules pour mieux comprendre les phénomènes ultrafroids complexes à N corps. L'équipe du NIST et du CU Boulder s'est concentrée sur l'exploration des limites de l'universalité dans un phénomène universel à quelques corps appelé physique d'Efimov.
Initialement théorisé dans le cadre de la physique nucléaire, ce phénomène quantique exotique prédit que de fortes interactions à deux corps peuvent médier l'attraction à trois corps et former des états à trois corps faiblement liés appelés trimères d'Efimov. En réalité, il existe une infinité de trimères Efimov, dont les tailles et les énergies sont toutes liées les unes aux autres par un facteur numérique universel.
En plus de cette mise à l'échelle universelle, les chercheurs ont noté plus tard que dans les systèmes atomiques, toutes les tailles de trimères Efimov sont les mêmes (en unités redimensionnées), indépendamment de l'espèce atomique choisie ou des détails exacts des interactions sous-jacentes à deux corps qui interviennent dans les forces à trois corps dans la physique d'Efimov. Le dernier aspect universel de la physique d'Efimov est connu sous le nom d'"universalité van der Waals, " et était considérée comme vraie jusqu'à la récente étude.
"L'importance de l'universalité dans la physique d'Efimov est que nous sommes capables de comprendre et de prédire l'image complète de l'interaction à quelques corps jusqu'à des échelles arbitraires de grande longueur, étant donné qu'une connaissance étendue de la physique à deux corps, " a déclaré Chapurin. "Notre mesure montre que ce n'est pas toujours le cas, démontrant le premier écart par rapport à l'universalité de van der Waals et testant les limites de la physique universelle dans un système à quelques corps."
Une visualisation des trimères Efimov, dont l'attraction à trois corps est médiée par les forces à deux corps à longue portée, représenté par la couleur dorée. Malgré les détails complexes et l'individualité d'espèces atomiques particulières, représentés par différents polyèdres au cœur, ces trimères ont des formes et des tailles similaires, représentant l'universalité. Le soupçon d'une fissure dans la nature universelle, comme l'ont d'abord observé les chercheurs de l'étude, est représenté par une différence de taille subtile du trimère au centre. Crédit photo :Steven Burrows, JILA.
Chapurin et ses collègues ont effectué des mesures précises sur quelques corps pour déterminer les propriétés des trimères Efimov dans un gaz de potassium ultrafroid. Le haut degré de contrôle sur les paramètres expérimentaux, ainsi que de faibles erreurs statistiques et systématiques, leur a permis de trouver la première preuve convaincante de trimères Efimov non universels. Les chercheurs ont découvert des trimères Efimov avec des tailles nettement plus grandes que ce que prédit la théorie universelle.
"Nos mesures, avec une précision sans précédent, a révélé un résultat surprenant :le premier écart définitif par rapport à l'universalité de van der Waals, " a déclaré Chapurin. "Nous avons mesuré que les tailles des trimères d'Efimov étaient différentes de ce que la théorie universelle prédit et différentes de toutes les mesures précédentes dans différentes espèces atomiques."
Pour mieux comprendre leurs observations, les chercheurs ont développé un nouveau modèle théorique à trois corps. Leur modèle suggère que dans de rares circonstances, les détails microscopiques/fins du problème (dans ce cas, les interactions complexes de spin) peuvent affecter considérablement les observables macroscopiques telles que la taille des trimères d'Efimov.
"Nous avons découvert qu'un modèle à trois corps raffiné basé sur nos mesures précises des interactions à deux corps, sans doute la mesure la plus précise de la physique à deux corps dans un système ultrafroid, peut expliquer le résultat non universel observé, " expliqua Chapurin. " Dans ce cas rare, les détails microscopiques fins et complexes des interactions déchirent la nature universelle de la physique d'Efimov."
Bien que les observations expérimentales indiquent clairement un fort écart par rapport à l'universalité de van der Waals, "tout ce qui est universel n'est pas perdu, " selon José D'Incao, également chercheur dans l'étude. Il ajoute que :« une des prémisses de l'universalité persiste :en ne sachant que comment deux atomes interagissent, toutes les propriétés de basse énergie des systèmes triatomiques Efimov peuvent être dérivées, sans qu'il soit nécessaire de se référer aux forces chimiques à trois corps plus traditionnelles et plus compliquées."
L'étude menée par Chapurin et ses collègues a rassemblé de nouvelles observations fascinantes qui pourraient améliorer la compréhension actuelle de l'universalité dans la physique à quelques corps. Bien que les chercheurs aient pu fournir une explication provisoire, de nombreuses questions restent sans réponse.
Par exemple, tandis que leur article offre un aperçu de l'écart observé par rapport à l'universalité du premier état d'Efimov, l'effet d'une physique microscopique aussi complexe sur les états consécutifs d'Efimov (dans la série infinie d'Efimov) est toujours une question ouverte. Les études de ces états consécutifs faiblement liés nécessitent des températures de plus en plus froides (moins d'un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu) qui sont mieux atteintes dans un environnement de microgravité. L'équipe, qui fait partie de la collaboration JILA plus large, espérons répondre à cette question en réalisant de futures expériences dans le Cold Atom Laboratory de la Station spatiale internationale.
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