Bosons :particules fondamentales pouvant occuper le même état quantique, de sorte qu'un condensat de bosons se comporte comme une seule particule quantique. Crédit :FLOTTE
Les fluides quantiques condensés de Bose ne sont pas éternels. De tels états incluent les superfluides et les condensats de Bose-Einstein (BEC).
Il y a une belle pureté dans ces états exotiques, dans lequel chaque particule est dans le même état quantique, permettant de voir les effets quantiques à un niveau macroscopique visible sur un simple microscope.
En réalité cependant, toutes les particules ne restent pas dans le condensat même au zéro absolu où, classiquement, les particules devraient rester immobiles. Au lieu, les fluctuations quantiques induites par l'interaction font entrer les particules en collision, en expulsant inévitablement certaines particules du condensat, un phénomène appelé « épuisement quantique ».
Cet effet est incroyablement fort dans l'hélium-4 superfluide, le premier superfluide connu, de sorte que 90 % des particules sont expulsées du condensat. Cependant, en extrêmement dilué, gaz atomiques ultrafroids, qui forment les condensats typiques de Bose-Einstein (BEC) que nous connaissons, l'effet est beaucoup plus faible, presque négligeable.
Bien que l'épuisement quantique ait été bien décrit théoriquement (par la théorie vieille de 70 ans développée par Nikolay Bogoliubov), il est historiquement connu pour être difficile à mesurer dans un BEC atomique pour un certain nombre de raisons.
Au lieu de particules atomiques, les physiciens de l'Australian National University (ANU) utilisent des excitons-polaritons, particules hybrides à caractère à la fois lumière et matière, qui permet la détection de la quantité de mouvement sans aucune distorsion.
L'équipe de l'ANU, dirigé par le professeur Elena Ostrovskaya, détecté avec succès les particules expulsées en bloquant la lumière, à l'aide d'un fil de rasoir, émis par le condensat incroyablement brillant. "C'est comme recréer une éclipse solaire, ", explique l'auteur principal de l'étude, le Dr Maciej Pieczarka. "La lune bloque le soleil brillant (le condensat) et expose sa couronne glorieuse (les excitations)."
L'étude représente la première observation directe de l'épuisement quantique dans un condensat de Bose-Einstein (BEC) hors équilibre.
Les condensats de type "lumière" ne se comportent pas comme on pourrait s'y attendre. En fait, il n'y a aucune explication à ce comportement
Un résultat surprenant de l'étude offre un nouveau défi pour la physique des fluides quantiques hors d'équilibre. Les condensats d'exciton-polariton peuvent être réglés de façon plus semblable à la matière (excitonique) à plus semblable à la lumière (photonique), permettant la comparaison avec les théories du condensat (matière) atomique à l'équilibre et des fluides quantiques de la lumière hors d'équilibre.
Polariton d'exciton :particule hybride composée d'un photon (lumière) et d'un exciton (une paire électron-trou liée). Crédit :FLOTTE
Les chercheurs ont découvert que lorsque les condensats ressemblaient à de la matière, " ils se sont comportés précisément comme prévu pour un BEC en équilibre thermique (décrit par la théorie de Bogoliubov de longue date).
Cependant, les condensats qui ressemblaient à de la lumière s'écartaient du comportement attendu de Bogoliubov, d'une manière non décrite par les théories existantes
En bref, même si ces condensats sont entraînés-dissipatifs, ils peuvent se comporter comme des condensats atomiques à l'équilibre (quand ils ressemblent à de la matière) ou comme un fluide quantique hors d'équilibre (quand ils sont semblables à de la lumière).
Excitation négative observée
La recherche résout un problème de longue date dans les condensats excitons-polaritons :le problème de la visibilité des branches d'excitation.
L'épuisement quantique conduit à la visibilité des branches fantômes dans le spectre des excitations. Précédemment, seules les excitations positives ou normales avaient jamais été observées dans une création spontanée, BEC en régime permanent, tandis que les excitations négatives ou fantômes prédites par Bogoliubov échappaient aux observations dans ce régime.
Maintenant, l'équipe de l'ANU a utilisé les condensats à haute densité dominés par les interactions, en régime permanent, pour augmenter le signal très faible des particules fantômes. Cette étude démontre la première observation expérimentale claire de cette branche fantôme d'excitations élémentaires dans une création spontanée, condensat exciton-polariton en régime permanent.
Contrairement à son homologue normal, les particules fantômes ne peuvent être créées que par des fluctuations quantiques et leur détection dans cette étude est le pistolet fumant de l'épuisement quantique des condensats excitons-polaritons.
"Ce qui est ironique à propos de ces particules expulsées, c'est que même si elles ne font strictement pas partie du condensat, ils vous disent en fait presque tout sur le condensat appauvri, " dit le co-auteur Dr Eliezer Estrecho.
L'équipe dirigée par l'ANU a utilisé l'observation de la branche fantôme pour mesurer avec précision la force des interactions des excitons-polaritons, un paramètre clé qui avait une grande incertitude controversée basée sur les mesures d'autres groupes. Le résultat est en plein accord avec les travaux antérieurs de l'équipe de l'ANU (voir ci-dessous), où la haute densité, le condensat dominé par l'interaction s'est combiné de manière fortuite avec l'effet de combustion du trou. Un excellent accord avec la théorie a finalement tranché la polémique.
A gauche :luminescence moment-espace du signal fort du condensat haute densité. A droite :mêmes données prises avec un filtre rasoir couvrant le signal du condensat, révélant les excitations normales et fantômes du condensat. Crédit :FLOTTE
Superfluides et condensats quantiques
Superfluides, comme l'hélium-4, sont étroitement liés aux condensats de Bose-Einstein (BEC) de bosons en interaction.
"L'épuisement quantique" décrit le processus par lequel, même à Absolute Zero, certaines des particules qui occupent l'état quantique macroscopique deviennent excitées dans des états d'impulsion plus élevés via des interactions interparticulaires et des fluctuations quantiques.
Essentiellement, ces particules sont expulsées du condensat.
L'épuisement quantique est particulièrement difficile à mesurer dans les systèmes hors équilibre tels que les condensats exciton-polariton (photons couplés à des paires électron-trou dans un semi-conducteur) car il existe d'autres processus qui peuvent produire le même effet d'expulsion
Dans la nouvelle étude, l'épuisement quantique d'un condensat d'excitons-polaritons de haute densité piégé optiquement est observé en détectant directement la signature révélatrice du processus des particules fantômes occupant la branche négative des excitations élémentaires.
"Les résultats appellent à une meilleure compréhension de la relation entre les BEC d'équilibre et hors d'équilibre, ", explique le professeur Elena Ostrovskaya.
L'équipe, qui comprend des collaborateurs théoriques au sein du nœud de l'Université Monash de FLEET, étend maintenant leurs travaux pour élucider des propriétés sous-jacentes plus profondes, comme les phases et les relations universelles, de cet hybride lumière-matière d'un condensat.
"Observation of quantum depletion in a nonquilibrium exciton-polariton condensat" a été publié dans Communication Nature en janvier.
