L'un des objectifs de la science est de trouver des descriptions physiques de la nature en étudiant comment les composants de base du système interagissent les uns avec les autres. Pour les systèmes complexes à plusieurs corps, des théories efficaces sont fréquemment utilisées à cette fin. Ils permettent de décrire les interactions sans avoir à observer un système à la plus petite des échelles. Des physiciens de l'université de Heidelberg ont maintenant développé une nouvelle méthode qui permet d'identifier expérimentalement de telles théories à l'aide de simulateurs dits quantiques. Les résultats de l'effort de recherche, dirigé par le Prof. Dr. Markus Oberthaler (physique expérimentale) et le Prof. Dr. Jürgen Berges (physique théorique), ont été publiés dans la revue Physique de la nature .

Déduire des prédictions sur les phénomènes physiques au niveau des particules individuelles à partir d'une description microscopique est pratiquement impossible pour les grands systèmes. Cela s'applique non seulement aux systèmes de mécanique quantique à plusieurs corps, mais aussi à la physique classique, comme lorsque l'eau chauffée dans une marmite doit être décrite au niveau des molécules d'eau individuelles. Mais si un système est observé à grande échelle, comme des vagues d'eau dans un pot, de nouvelles propriétés peuvent devenir pertinentes sous certaines conditions préalables. Pour décrire efficacement une telle physique, des théories efficaces sont utilisées. "Nos recherches visaient à identifier ces théories expérimentalement à l'aide de simulateurs quantiques, " explique Torsten Zache, l'auteur principal de la partie théorique de l'étude. Les simulateurs quantiques permettent de modifier plus simplement les systèmes à plusieurs corps et de calculer leurs propriétés.

Les physiciens de Heidelberg ont récemment démontré leur nouvelle méthode dans une expérience sur des atomes de rubidium ultrafroids, qui sont capturés dans un piège optique et déséquilibrés. "Dans le scénario que nous avons préparé, les atomes se comportent comme de minuscules aimants dont nous pouvons lire précisément l'orientation grâce à de nouveaux procédés, " selon Maximilian Prüfer, l'auteur principal du côté expérimental de l'étude. Pour déterminer les interactions effectives de ces « aimants », ' l'expérience doit être répétée plusieurs milliers de fois, ce qui nécessite une stabilité extrême.

"Les concepts théoriques sous-jacents nous permettent d'interpréter les résultats expérimentaux d'une manière complètement nouvelle et ainsi d'acquérir des connaissances grâce à des expériences dans des domaines qui étaient jusqu'à présent inaccessibles par la théorie, " précise le professeur Oberthaler. " A son tour, cela peut nous renseigner sur de nouveaux types d'approches théoriques pour décrire avec succès les lois physiques pertinentes dans les systèmes complexes à N corps, " déclare le professeur Berges. L'approche utilisée par les physiciens de Heidelberg est transférable à un certain nombre d'autres systèmes, ouvrant ainsi un territoire révolutionnaire pour les simulations quantiques. Jürgen Berges et Markus Oberthaler sont convaincus que cette nouvelle façon d'identifier des théories efficaces permettra de répondre aux questions fondamentales de la physique.