Le monde quantique défie de manière flagrante les intuitions que nous avons développées en vivant parmi des choses relativement grandes, comme les voitures, des centimes et des grains de poussière. Dans le monde quantique, de minuscules particules peuvent maintenir une connexion spéciale sur n'importe quelle distance, traverser des barrières et emprunter simultanément plusieurs chemins.

Un comportement quantique moins connu est la localisation dynamique, un phénomène dans lequel un objet quantique reste à la même température malgré un apport constant d'énergie, ce qui va à l'encontre de l'hypothèse selon laquelle un objet froid volera toujours la chaleur d'un objet plus chaud.

Cette hypothèse est l'une des pierres angulaires de la thermodynamique, l'étude de la façon dont la chaleur se déplace. Le fait que la localisation dynamique défie ce principe signifie que quelque chose d'inhabituel se produit dans le monde quantique et que la localisation dynamique peut être une excellente sonde pour savoir où se termine le domaine quantique et où commence la physique traditionnelle. Comprendre comment les systèmes quantiques se maintiennent, ou ne pas maintenir, le comportement quantique est essentiel non seulement pour notre compréhension de l'univers, mais aussi pour le développement pratique des technologies quantiques.

« À un moment donné, la description quantique du monde doit basculer vers la description classique que nous voyons, et on pense que la façon dont cela se produit passe par des interactions, " explique Colin Rylands, chercheur postdoctoral de JQI.

Jusqu'à maintenant, la localisation dynamique n'a été observée que pour des objets quantiques uniques, ce qui l'a empêché de contribuer aux tentatives visant à déterminer où le changement a lieu. Pour explorer cette question, Ryland, avec le boursier JQI Victor Galitski et d'autres collègues, ont étudié des modèles mathématiques pour voir si la localisation dynamique peut encore se produire lorsque de nombreuses particules quantiques interagissent. Pour révéler la physique, ils ont dû fabriquer des modèles pour tenir compte de différentes températures, les forces et les durées d'interaction. Les résultats de l'équipe, Publié dans Lettres d'examen physique , suggèrent que la localisation dynamique peut se produire même lorsque de fortes interactions font partie de l'image.

"Ce résultat est un exemple où une seule particule quantique se comporte complètement différemment d'une particule classique, et puis même avec l'ajout d'interactions fortes le comportement ressemble toujours à celui de la particule quantique plutôt qu'au classique, " dit Rylands, qui est le premier auteur de l'article.

Un manège quantique

Le résultat étend la localisation dynamique au-delà de ses origines de particule unique, dans le régime de nombreuses particules en interaction. Mais pour visualiser l'effet, il est toujours utile de commencer avec une seule particule. Souvent, cette particule unique est discutée en termes de rotor, que vous pouvez imaginer comme un manège de terrain de jeu (ou toute autre chose qui tourne en cercle). L'énergie d'un rotor (et sa température) est directement liée à sa vitesse de rotation. Et un rotor avec un approvisionnement constant en énergie - un qui reçoit un "coup de pied" régulier - est un moyen pratique de visualiser les différences dans le flux d'énergie en physique quantique et classique.

Par exemple, imaginez Hercule glissant inlassablement sur un manège. La plupart de ses balayages l'accéléreront, mais parfois, un coup atterrira mal et le ralentira. Dans ces conditions (imaginaires), un manège normal tournerait de plus en plus vite, accumulant de plus en plus d'énergie jusqu'à ce que les vibrations finissent par secouer le tout. Cela représente comment un rotor normal, en théorie, peut chauffer pour toujours sans atteindre une limite d'énergie.

Dans le monde quantique, les choses se passent différemment. Pour un manège quantique, chaque balayage n'augmente pas ou ne diminue pas simplement la vitesse. Au lieu, chaque balayage produit une superposition quantique sur différentes vitesses, représentant la chance de trouver le rotor tournant à des vitesses différentes. Ce n'est qu'après avoir effectué une mesure qu'une vitesse particulière émerge de la superposition quantique provoquée par les coups de pied précédents.

Recherche précédente, à la fois théorique et expérimental, a montré qu'au début, un rotor quantique ne se comporte pas très différemment d'un rotor normal en raison de cette distinction - en moyenne, un manège quantique aura également plus d'énergie après avoir subi plus de coups de pied. Mais une fois qu'un rotor quantique a été suffisamment botté, sa vitesse tend à plafonner. Après un certain point, l'effort persistant de notre Hercule quantique ne parvient pas à augmenter l'énergie du manège quantique (en moyenne).

Ce comportement est conceptuellement similaire à un autre phénomène quantique défiant la thermodynamique appelé localisation d'Anderson. Philippe Anderson, l'un des fondateurs de la physique de la matière condensée, a obtenu un Prix Noble pour la découverte du phénomène. Lui et ses collègues ont expliqué comment une particule quantique, comme un électron, pourraient être piégés malgré de nombreuses occasions apparentes de se déplacer. Ils ont expliqué que les imperfections dans l'arrangement des atomes dans un solide peuvent conduire à des interférences quantiques entre les chemins disponibles pour une particule quantique, changer la probabilité qu'il emprunte chaque chemin. Dans la localisation d'Anderson, la chance d'être sur n'importe quel chemin devient presque nulle, laissant la particule piégée en place.

La localisation dynamique ressemble beaucoup à la localisation d'Anderson, mais au lieu d'être piégé à une position particulière, l'énergie d'une particule reste bloquée. En tant qu'objet quantique, l'énergie et donc la vitesse d'un rotor sont restreintes à un ensemble de valeurs quantifiées. Ces valeurs forment une grille ou un réseau abstrait similaire aux emplacements des atomes dans un solide et peuvent produire une interférence entre les états d'énergie similaire à l'interférence entre les chemins dans l'espace physique. Les probabilités des différentes énergies possibles, au lieu des chemins possibles d'une particule, interférer, et l'énergie et la vitesse se coincent près d'une valeur unique, malgré les coups de pied en cours.

Explorer un nouveau terrain de jeu quantique

Alors que la localisation d'Anderson a fourni aux chercheurs une perspective pour comprendre un seul rotor quantique à coup de pied, cela a laissé une certaine ambiguïté sur ce qui arrive à de nombreux rotors en interaction qui peuvent projeter de l'énergie dans les deux sens. Une attente commune était que les interactions supplémentaires permettraient un chauffage normal en perturbant l'équilibre quantique qui limite l'augmentation de l'énergie.

Galitski et ses collègues ont identifié un système unidimensionnel dans lequel ils pensaient que l'attente pouvait ne pas être vraie. Ils ont choisi un gaz Bose unidimensionnel en interaction comme terrain de jeu. Dans un gaz Bose, les particules qui vont et viennent le long d'une ligne jouent le rôle des rotors qui tournent en place. Les atomes de gaz suivent les mêmes principes de base que les rotors à coups de pied, mais sont plus pratiques à utiliser en laboratoire. Dans les laboratoires, les lasers peuvent être utilisés pour contenir le gaz et aussi pour refroidir les atomes dans le gaz jusqu'à une basse température, ce qui est essentiel pour assurer un comportement quantique fort.

Une fois que l'équipe a sélectionné ce terrain de jeu, ils ont exploré des modèles mathématiques des nombreux atomes de gaz en interaction. Exploration du gaz à différentes températures, les forces d'interaction et le nombre de coups de pied ont obligé l'équipe à basculer entre plusieurs techniques mathématiques différentes pour obtenir une image complète. En fin de compte, leurs résultats se sont combinés pour suggérer que lorsqu'un gaz avec de fortes interactions commence à une température proche de zéro, il peut subir une localisation dynamique. L'équipe a nommé ce phénomène "localisation dynamique à plusieurs corps".

"Ces résultats ont des implications importantes et démontrent fondamentalement notre compréhension incomplète de ces systèmes, " dit Robert Konik, co-auteur de l'article et physicien au Brookhaven National Lab. "Ils contiennent également le germe d'applications possibles car les systèmes qui n'acceptent pas l'énergie devraient être moins sensibles aux effets de décohérence quantique et pourraient donc être utiles pour fabriquer des ordinateurs quantiques."

Soutien expérimental

Bien sûr, une explication théorique n'est que la moitié du puzzle; la confirmation expérimentale est essentielle pour savoir si une théorie repose sur des bases solides. Heureusement, une expérience sur la côte opposée des États-Unis poursuit le même sujet. Les conversations avec Galitski ont inspiré David Weld, professeur agrégé de physique à l'Université de Californie, Sainte Barbe, d'utiliser l'expertise expérimentale de son équipe pour sonder la localisation dynamique à plusieurs corps.

"Habituellement, il n'est pas facile de convaincre un expérimentateur de faire une expérience basée sur la théorie, " dit Galitski. " Cette affaire était un peu fortuite, que David avait déjà presque tout prêt à partir."

L'équipe de Weld utilise un gaz quantique d'atomes de lithium confiné par des lasers pour créer une expérience similaire au modèle théorique développé par l'équipe de Galitski. (La principale différence est que dans l'expérience, les atomes se déplacent en trois dimensions au lieu d'une seule.)

Dans l'expérience, Weld et son équipe frappent les atomes des centaines de fois à l'aide d'impulsions laser et observent à plusieurs reprises leur sort. Pour différentes séries de l'expérience, ils ont ajusté la force d'interaction des atomes à différentes valeurs.

« C'est bien parce qu'on peut très bien passer à un régime sans interaction, et c'est quelque chose dont il est assez facile de calculer le comportement, " dit Weld. " Et puis nous pouvons continuellement augmenter l'interaction et passer à un régime qui ressemble plus à ce dont Victor et ses collègues parlent dans ce dernier article. Et nous observons la localisation, même en présence des interactions les plus fortes que l'on puisse ajouter au système. Cela a été une surprise pour moi."

Leurs résultats préliminaires confirment la prédiction selon laquelle la localisation dynamique à plusieurs corps peut se produire même lorsque de fortes interactions font partie du tableau. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour les chercheurs d'essayer de cerner la frontière entre le monde quantique et classique.

"C'est bien de pouvoir montrer quelque chose auquel les gens ne s'attendaient pas et aussi que ce soit expérimentalement pertinent, " dit Ryland.