La plupart des grandes questions de la physique peuvent être résolues à l'aide des théories quantiques des champs :elles sont nécessaires pour décrire la dynamique de nombreuses particules en interaction, et ainsi ils sont tout aussi importants en physique du solide qu'en cosmologie. Souvent, cependant, il est extrêmement compliqué de développer un modèle théorique de champ quantique pour un problème spécifique, surtout si le système en question se compose de nombreuses particules en interaction.

Maintenant, une équipe de la TU Wien et de l'Université de Heidelberg a développé des méthodes avec lesquelles ces modèles peuvent être directement obtenus à partir de mesures expérimentales. Au lieu de comparer les résultats expérimentaux aux prédictions du modèle théorique, il est, dans un certain sens, possible de mesurer la théorie elle-même. Cela devrait maintenant jeter un nouvel éclairage sur le domaine compliqué de la physique quantique à N corps.

Simulateurs quantiques

Dans les années récentes, une nouvelle méthode d'étude des systèmes physiques quantiques a pris de l'importance :les « simulateurs quantiques ». "Nous n'avons tout simplement pas une description satisfaisante de certains systèmes quantiques, par exemple les supraconducteurs à haute température. D'autres systèmes ne peuvent tout simplement pas être observés directement, comme l'univers primitif peu après le Big Bang. Supposons que nous voulions toujours apprendre quelque chose sur de tels systèmes quantiques, alors nous choisissons simplement un autre système qui peut être facilement contrôlé en laboratoire et l'ajustons de manière à ce qu'il se comporte de la même manière que le système qui nous intéresse réellement. Par exemple, nous pouvons utiliser des expériences sur des atomes ultrafroids pour en savoir plus sur des systèmes que nous ne pourrions autrement pas étudier du tout, " explique Jörg Schmiedmayer du Vienna Center of Quantum Science and Technology (VCQ) de la TU Wien. Cela est possible car il existe des similitudes fondamentales entre les différentes descriptions physiques quantiques de différents systèmes.

Mais quel que soit le système quantique étudié, les scientifiques rencontrent toujours un problème fondamental :« S'il y a trop de particules impliquées, les formules de la théorie quantique deviennent rapidement si compliquées qu'elles ne peuvent être résolues, même pas avec les meilleurs supercalculateurs du monde, " explique Sebastian Erne. " C'est dommage, car les systèmes constitués de nombreuses particules sont particulièrement intéressants. Dans la vie de tous les jours, il est toujours vrai que de nombreuses particules jouent un rôle en même temps."

Se débarrasser des détails

En général, il n'est pas possible de résoudre la théorie quantique exacte pour un système à plusieurs particules, dans lequel chaque particule est considérée. Il faut trouver une description quantique simplifiée qui contient toutes les propriétés essentielles, mais ne se fonde plus sur des détails sur les particules individuelles. "C'est comme décrire un gaz, " explique Jörg Schmiedmayer. " Nous ne nous intéressons pas à chaque atome, mais dans des variables plus générales telles que la pression et la température."

Mais comment arrivez-vous à de telles théories pour les systèmes à plusieurs corps ? Les dériver purement mathématiquement des lois de la nature qui s'appliquent aux particules individuelles est extrêmement compliqué. Mais comme il s'avère maintenant, ce n'est pas nécessaire. "Nous avons trouvé une méthode de lecture de la description théorique du champ quantique directement à partir de l'expérience, " dit Schmiedmayer. " Dans un certain sens, la nature fournit les formules, avec laquelle il doit être décrit, tout seul."

On sait que toute théorie quantique doit obéir à certaines règles formelles — on parle par exemple de corrélations, propagateurs, sommets, Les diagrammes de Feynman, les éléments de base de tout modèle physique quantique. L'équipe de recherche de la TU Wien et de l'Université de Heidelberg a trouvé un moyen de rendre ces éléments de base individuels accessibles expérimentalement. Les mesures expérimentales aboutissent à une théorie quantique obtenue empiriquement pour un système à plusieurs corps, sans avoir à travailler avec du papier et un crayon.

"Pendant des années, nous avons soupçonné que cela est théoriquement possible, mais tout le monde ne nous croyait pas que cela fonctionnait réellement, " dit Jörg Schmiedmayer. " Maintenant, nous avons montré que nous avions raison - en examinant un cas particulier où la théorie peut également être trouvée et (dans certaines limites) résolue mathématiquement. Nos résultats de mesure fournissent exactement les mêmes éléments de base théoriques."

Nuages ​​atomiques ultrafroids

L'expérience a été réalisée avec des nuages ​​de milliers d'atomes ultrafroids qui sont piégés dans un piège magnétique sur une puce atomique. "D'après les modèles d'ondes quantiques de ces nuages ​​atomiques, nous pouvons déterminer les fonctions de corrélation à partir desquelles les éléments de base de la théorie appropriée peuvent être dérivés, " explique Schmiedmayer.

Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Examen physique X . L'équipe espère que cela simplifiera considérablement l'étude des systèmes quantiques à plusieurs particules. Peut-être que cela éclairera certaines des grandes questions de la physique.