Une nouvelle étude théorique à l'Université Monash a amélioré notre compréhension de l'interaction entre les fluctuations (ou excitations) quantiques et thermiques dans la matière quantique.

L'étude a révélé qu'une impureté dans un condensat de Bose-Einstein (BEC) présente un spectre d'énergie intrigant lorsque sa température est élevée au-dessus de zéro kelvin, avec la quasiparticule à l'état fondamental se divisant en un certain nombre de branches qui dépend des interactions avec le nuage thermique entourant le BEC.

"La modélisation a démontré que le nombre de branches de quasi-particules est simplement fixé par le nombre d'excitations de trous du nuage thermique, " explique l'auteur principal, Bernard Champ.

"C'est-à-dire, y compris jusqu'à un trou donne une division, deux trous donnent deux fentes, etc, " dit Bernard, qui est doctorant au sein de l'École de physique et d'astronomie de l'Université Monash.

Les gaz atomiques froids comme « banc d'essai parfait »

Les gaz atomiques froids sont utilisés pour étudier les effets des impuretés couplées à un milieu quantique - un scénario qui s'applique à tout, des transistors à effet de champ au comportement des protons dans les étoiles à neutrons.

Les gaz atomiques froids fournissent un système particulièrement propre et flexible pour sonder le comportement des impuretés quantiques, permettant de faire varier les interactions impureté-milieu d'un couplage faible à fort et révélant la manière dont l'impureté se "habille" par les excitations du milieu.

Spécifiquement, la nouvelle étude se concentre sur les impuretés dans un BEC, appelé Polaron Bose.

Des études antérieures avaient prédit que le spectre d'énergie d'un polaron de Bose se diviserait en deux branches paires avec toute augmentation de température au-dessus de zéro kelvin.

L'étude de Monash a révélé que ce résultat est une conséquence de l'hypothèse d'une seule excitation particule-trou du milieu. Lorsque plus de trous sont inclus, le résultat est plus fractionné.

"Comme il peut y avoir un grand nombre d'excitations dans un système réel, nous nous attendons à ce que le véritable polaron de Bose apparaisse sous la forme d'un seul et large pic à basse température, " explique A/Prof Meera Parish.

"Toutefois, remarquablement, nous constatons que le comportement est fondamentalement différent de ce que l'on pourrait attendre des théories standard des fluctuations quantiques et des transitions de phase quantiques."

Les chercheurs utilisent une approche variationnelle élégante qui inclut des corrélations multicorps entre l'impureté et le BEC, dépassant ainsi l'état de l'art actuel dans le domaine. Notamment, leur résultat théorique pour l'énergie de l'état fondamental du polaron de Bose est en excellent accord avec une modélisation quantique plus intensive numériquement et avec des expériences.

Le destin du polaron de Bose à température finie a été publié dans la revue Examen physique A en janvier 2020