Les atomes ultrafroids piégés dans des pièges optiques préparés de manière appropriée peuvent s'organiser de manière étonnamment complexe, structures jusqu'alors inobservées, selon des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie. Conformément à leurs prévisions les plus récentes, la matière dans les réseaux optiques devrait former des anneaux quantiques de traction et inhomogènes d'une manière contrôlée.

Un réseau optique est une structure construite de lumière, c'est-à-dire les ondes électromagnétiques. Les lasers jouent un rôle clé dans la construction de tels réseaux. Chaque laser génère une onde électromagnétique avec des valeurs strictement définies, paramètres constants qui peuvent être modifiés presque arbitrairement. Lorsque les faisceaux laser correspondent correctement, il est possible de créer un réseau avec des propriétés bien connues. Par superposition d'ondes, les minima de potentiel peuvent être obtenus, dont l'agencement permet de simuler les systèmes et modèles bien connus de la physique du solide. L'avantage de tels systèmes préparés est la manière relativement simple de modifier les positions de ces minima, ce qui en pratique signifie la possibilité de préparer différents types de treillis.

"Si nous introduisons des atomes sélectionnés de manière appropriée dans une zone de l'espace qui a été préparée de cette manière, ils se rassembleront dans les emplacements des minima potentiels. Cependant, il y a une condition importante :les atomes doivent être refroidis à des températures ultra basses. Ce n'est qu'alors que leur énergie sera suffisamment petite pour ne pas sortir du piège subtil préparé, " explique le Dr Andrzej Ptok de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Les structures formées par des atomes (ou des groupes d'atomes) piégés dans le réseau optique ressemblent à des cristaux. Selon la configuration des faisceaux laser, ils peuvent être un-, en deux ou trois dimensions. Contrairement aux cristaux, ils sont sans défaut. Quoi de plus, alors que dans les cristaux la possibilité de modifier la structure du réseau est négligeable, les réseaux optiques sont assez faciles à configurer. Tout ce qu'il faut pour changer les propriétés de la lumière laser ou les angles de coupe des faisceaux. Ces caractéristiques rendent les réseaux optiques populaires en tant que simulateurs quantiques. Ils peuvent être utilisés pour reproduire diverses configurations spatiales d'atomes ou de groupes d'atomes, y compris même ceux qui n'existent pas dans la nature.

Dans leurs recherches, les scientifiques de l'IFJ PAN travaillent avec des atomes piégés dans des réseaux optiques. Groupes de fermions, c'est-à-dire que des atomes avec un spin de 1/2 (le spin est une caractéristique quantique décrivant la rotation des particules) ont été placés dans leurs sites. Dans chaque site, un certain nombre d'atomes avaient le spin orienté dans une direction (vers le haut), et le reste — dans la direction opposée (vers le bas). La modification de l'interaction entre les atomes de manière à être attractive conduit à la création de paires d'atomes, qui correspondent aux paires de Cooper dans les supraconducteurs - des paires d'électrons avec des spins opposés dans le même site de réseau.

"Les paramètres du réseau optique peuvent être utilisés pour influencer l'interaction entre des atomes de spin différents piégés dans des sites individuels. De plus, de cette manière un état peut être préparé, qui imitent les champs magnétiques externes appliqués sur le système. Il est donné en contrôlant les proportions entre les nombres d'atomes de spin différent, " déclare le Dr Konrad J. Kapcia de l'IFJ PAN et note que les systèmes préparés de cette manière peuvent reproduire les effets de champs magnétiques relativement importants sans avoir besoin d'utiliser ces champs. "C'est possible parce que nous savons comment un champ magnétique donné aurait un impact sur la différence entre le nombre de particules de spins opposés, " expliquent les chercheurs.

Selon les prédictions des physiciens de Cracovie, une séparation de phases intéressante devrait avoir lieu dans les systèmes préparés de cette manière. Par conséquent, structure cœur-coquille formée de matière piégée dans un réseau optique, un noyau d'atomes appariés d'une phase, entouré d'une couche d'atomes appariés de la deuxième phase, se formera automatiquement.

« Toute la situation peut être représentée par un exemple savoureux. Imaginez une assiette de riz avec une sauce épaisse. Par une bonne préparation de l'assiette, nous pouvons affecter la position relative entre le riz et la sauce. Par exemple, nous pouvons préparer le système de telle sorte que le riz soit au centre, tandis que la sauce forme un anneau autour. A partir des mêmes ingrédients, nous pouvons également construire le système inverse :au milieu de l'assiette, il y aura la sauce entourée d'un anneau de riz. Dans notre cas, la plaque est le piège optique avec les atomes et leurs paires, et le riz et la sauce sont les deux phases, regrouper différents types de paires d'atomes, " décrit le Dr Ptok.

Le travail des physiciens de l'IFJ PAN, Publié dans Rapports scientifiques , est de nature théorique. En raison de leur simplicité, cependant, les systèmes décrits d'atomes ultrafroids dans des pièges optiques peuvent être rapidement vérifiés dans des expériences de laboratoire. Des physiciens de l'IFJ PAN ont prédit que les atomes ultrafroids piégés dans des réseaux optiques peuvent former des anneaux quantiques avec une structure inhomogène.