Écrire dans La nature , les chercheurs décrivent la première observation de « criticité auto-organisée » dans une expérience de laboratoire contrôlée. Des systèmes complexes existent en mathématiques et en physique, mais se produisent également dans la nature et la société. Le concept de criticité auto-organisée prétend que sans apport externe, les systèmes complexes en non-équilibre ont tendance à évoluer vers un état critique loin d'un équilibre stable. De cette façon, ils renforcent leur propre non-équilibre.

Des systèmes à première vue assez différents, comme la diffusion d'informations sur les réseaux sociaux ou la propagation d'incendies ou de maladies, peuvent avoir des caractéristiques similaires. Un exemple est un comportement de type avalanche qui se renforce au lieu de s'arrêter. Cependant, ces systèmes complexes sont très difficiles à étudier dans des conditions de laboratoire contrôlées.

Pour la première fois, des chercheurs du Centre européen des sciences quantiques (CESQ) à Strasbourg, en collaboration avec des chercheurs des universités de Cologne et Heidelberg et du California Institute of Technology, ont réussi à observer les caractéristiques les plus importantes de la criticité auto-organisée dans une expérience contrôlée, y compris le comportement avalancheux universel.

L'équipe a travaillé avec un gaz composé d'atomes de potassium, qu'ils préparaient à très basse température, proche du zéro absolu. "Dans cet état, le gaz est plus facile à contrôler, ce qui le rend plus adapté à l'étude des propriétés quantiques fondamentales des atomes, " a déclaré le professeur Shannon Whitlock à l'Institut des sciences et technologies supramoléculaires de l'Université de Strasbourg.

En stimulant des atomes de gaz avec des lasers, l'équipe a pu influencer les interactions entre ces atomes. « Lorsqu'il est stimulé, les atomes peuvent soit générer de nouvelles stimulations secondaires, soit se décharger spontanément, " a expliqué Tobias Wintermantel, un chercheur doctorant dans l'équipe de Whitlock.

Lorsque le laser a été allumé, de nombreux atomes se sont d'abord échappés très rapidement. Leur nombre restant dans le gaz s'est stabilisé à la même valeur. Aussi, le nombre de particules restantes dépend de l'intensité du laser. « Comparer nos résultats de laboratoire à un modèle théorique, nous avons vu que ces deux effets ont la même origine, " a déclaré le physicien théoricien professeur Sebastian Diehl de l'Université de Cologne. C'était une première indication du phénomène de criticité auto-organisée.

"Les expériences ont montré que certains systèmes se développent d'eux-mêmes jusqu'à leur point critique de transition de phase, " ajouta Diehl. C'est surprenant :dans une transition de phase typique, comme l'eau bouillante qui passe du liquide au gaz, il n'y a qu'un seul point critique. Dans l'eau bouillante, la criticité auto-organisée signifierait que le système resterait automatiquement dans un état de suspension entre le liquide et le gaz au point de transition critique, même si la température était modifiée. Jusque là, ce concept n'a jamais été vérifié et testé dans un système physique aussi hautement contrôlable.

Après l'expérience, l'équipe est retournée au laboratoire pour confirmer une autre caractéristique frappante de la criticité auto-organisée :un comportement auto-entretenu de la désintégration atomique, semblable à celui des avalanches qui se renouvellent en permanence. Des caractéristiques similaires ont déjà été observées qualitativement dans le passé dans d'autres cas, comme des tremblements de terre ou des éruptions solaires. "Pour la première fois, nous avons observé quantitativement les éléments clés de la criticité auto-organisée en laboratoire. Nous avons pu établir un système expérimental atomique hautement contrôlable, " a déclaré Shannon Whitlock.

Dans d'autres étapes, les scientifiques veulent maintenant étudier comment la nature quantique des atomes influence le mécanisme d'auto-organisation. "À long terme, cela pourrait contribuer à créer de nouvelles technologies quantiques ou à résoudre certains problèmes de calcul difficiles pour les ordinateurs normaux, " a conclu Diehl.

Le phénomène de criticité auto-organisée a été développé pour la première fois pour les avalanches en 1987 par les physiciens Per Bak, Chao Tang et Kurt Wiesenfeld. D'autres modèles d'autres chercheurs pour l'évolution, des incendies de forêt et des tremblements de terre ont suivi. Jusque là, aucune condition générale déclenchant une criticité auto-organisée n'a été identifiée.