Les chercheurs de Penn State utilisent cet appareil pour créer un réseau de gaz unidimensionnels ultra-froids constitués d'atomes. Ces atomes sont des bosons, l'une des deux classes dans lesquelles toutes les particules peuvent être triées. Généralement, bosons et fermions, l'autre classe de particules, se comportent tout à fait différemment. Cependant, lorsque les interactions internes entre les bosons dans un gaz unidimensionnel sont très fortes, leur distribution spatiale est la même que celle des fermions sans interaction. Les chercheurs ont maintenant montré que lorsque les gaz sont autorisés à se dilater alors qu'ils sont encore confinés dans une dimension, leur distribution de vitesse devient également la même que celle d'un gaz de fermions sans interaction. Crédit :Nate Follmer, État de Pennsylvanie
Bosons et fermions, les deux classes dans lesquelles toutes les particules - du sub-atomique aux atomes eux-mêmes - peuvent être triées, se comportent très différemment dans la plupart des circonstances. Alors que des bosons identiques aiment se rassembler, les fermions identiques ont tendance à être antisociaux. Cependant, dans une dimension - imaginez des particules qui ne peuvent se déplacer que sur une ligne - les bosons peuvent devenir aussi distants que les fermions, de sorte que deux n'occupent pas la même position. Maintenant, de nouvelles recherches montrent que la même chose - des bosons agissant comme des fermions - peut se produire avec leurs vitesses. La découverte ajoute à notre compréhension fondamentale des systèmes quantiques et pourrait éclairer le développement éventuel de dispositifs quantiques.
"Toutes les particules dans la nature sont de deux types, en fonction de leur 'spin, ' une propriété quantique sans réel analogue en physique classique, " a déclaré David Weiss, Professeur émérite de physique à Penn State et l'un des chefs de file de l'équipe de recherche. "Bosons, dont les spins sont des entiers entiers, peut partager le même état quantique, tandis que les fermions, dont les spins sont des demi-entiers, ne peut pas. Lorsque les particules sont suffisamment froides ou denses, les bosons se comportent complètement différemment des fermions. Les bosons forment des condensats de Bose-Einstein, ' se rassemblent dans le même état quantique. Fermions, d'autre part, remplissez les états disponibles un par un pour former ce qu'on appelle une "mer de Fermi".
Des chercheurs de Penn State ont maintenant démontré expérimentalement que, lorsque les bosons s'étendent dans une dimension - la ligne d'atomes peut s'étendre pour s'allonger - ils peuvent former une mer de Fermi. Un article décrivant la recherche paraît le 27 mars, 2020 dans la revue Science .
"Les fermions identiques sont antisociaux, vous ne pouvez pas en avoir plus d'un au même endroit donc quand ils sont très froids ils n'interagissent pas, " a déclaré Marcos Rigol, professeur de physique à Penn State et l'autre chef de l'équipe de recherche. "Les bosons peuvent être au même endroit, mais cela devient énergétiquement trop coûteux lorsque leurs interactions sont très fortes. Par conséquent, lorsqu'il est contraint de se déplacer dans une dimension, leur distribution spatiale peut ressembler à celle de fermions sans interaction. En 2004, Le groupe de recherche de David a démontré expérimentalement ce phénomène, ce qui était théoriquement prédit dans les années 1960.
Même si les propriétés spatiales des bosons en interaction forte et des fermions sans interaction sont les mêmes dans une dimension, les bosons peuvent toujours avoir les mêmes vitesses les uns que les autres, alors que les fermions ne le peuvent pas. Cela est dû à la nature fondamentale des particules.
"En 2005, Marcos, puis étudiant diplômé, prédit que lorsque les bosons en interaction forte se développent dans une dimension, leur distribution de vitesse formera une mer de Fermi, " a déclaré Weiss. " J'étais très excité de collaborer avec lui pour démontrer ce phénomène frappant. "
Evolution de la distribution des vitesses d'un gaz piégé de bosons en interaction forte se développant dans une dimension. La distribution « bosonique » initialement maximale (ligne violette) se transforme progressivement en une distribution « fermionique » arrondie (ligne rouge foncé). La forme finale est à l'image de la mer de Fermi qui caractériserait les fermions dans le même piège initial. Crédit :Laboratoire Weiss, État de Pennsylvanie
L'équipe de recherche crée un réseau de gaz unidimensionnels ultrafroids constitués d'atomes bosoniques (« gaz Bose ») à l'aide d'un réseau optique, qui utilise la lumière laser pour piéger les atomes. Dans le piège lumineux, le système est à l'équilibre et les gaz de Bose en interaction forte ont des distributions spatiales comme les fermions, mais ont toujours les distributions de vitesse des bosons. Lorsque les chercheurs ont éteint une partie de la lumière piégée, les atomes se dilatent dans une dimension. Au cours de cette extension, la distribution des vitesses des bosons se transforme progressivement en une distribution identique aux fermions. Les chercheurs peuvent suivre cette transformation au fur et à mesure qu'elle se produit.
"La dynamique des gaz ultrafroids dans les réseaux optiques est à l'origine de nombreux nouveaux phénomènes fascinants qui n'ont commencé à être explorés que récemment, " dit Rigol. " Par exemple, Le groupe de Dave a montré en 2006 que quelque chose d'aussi universel que la température n'est pas bien défini après que les gaz de Bose subissent une dynamique dans une dimension. Mes collaborateurs et moi avons lié cette découverte à une belle propriété mathématique sous-jacente des modèles théoriques décrivant ses expériences, connu sous le nom d'« intégrabilité ». L'intégrabilité joue un rôle central dans notre phénomène de fermionisation dynamique nouvellement observé."
Parce que le système est « intégrable, " les chercheurs peuvent le comprendre en détail et en étudiant le comportement dynamique de ces gaz unidimensionnels, l'équipe de Penn State espère aborder de vastes problèmes de physique.
"Au cours du dernier demi-siècle, de nombreuses propriétés universelles des systèmes quantiques d'équilibre ont été élucidées, " a déclaré Weiss. " Il a été plus difficile d'identifier le comportement universel dans les systèmes dynamiques. En comprenant parfaitement la dynamique des gaz unidimensionnels, puis en rendant progressivement les gaz moins intégrables, nous espérons identifier des principes universels dans les systèmes quantiques dynamiques."
Dynamique, les systèmes quantiques en interaction sont une partie importante de la physique fondamentale. Ils sont également de plus en plus pertinents sur le plan technologique, autant de dispositifs quantiques réels et proposés sont basés sur eux, y compris les simulateurs quantiques et les ordinateurs quantiques.
« Nous avons maintenant un accès expérimental à des choses qui, si vous auriez demandé à n'importe quel théoricien travaillant dans le domaine il y a dix ans, « verrons-nous cela de notre vivant ? » ils auraient dit 'pas question, '", a déclaré Rigol.
En plus de Rigol et Weiss, l'équipe de recherche de Penn State comprend Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, et Yicheng Zhang. La recherche a été financée par la U.S. National Science Foundation et le U.S. Army Research Office. Les calculs ont été effectués au Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
