Les propriétés électroniques de la matière condensée sont souvent déterminées par une compétition complexe entre l'énergie cinétique qui vise à chevaucher et à délocaliser les fonctions d'onde électroniques à travers le réseau cristallin, et la localisation des interactions électron-électron. En revanche, la phase gazeuse est caractérisée par des électrons de valence étroitement localisés autour des noyaux d'atomes ioniques dans des états quantiques discrets avec des énergies bien définies. En tant qu'hybride exotique des deux situations, on peut se demander quel état de la matière est créé lorsqu'un gaz d'atomes isolés est soudainement excité à un état où les fonctions d'ondes électroniques se chevauchent spatialement, comme dans un solide ?

Une telle phase exotique de la matière, cependant, a été jusqu'à présent impossible à créer en principe. Ici, Professeur Kenji Ohmori, Institut des sciences moléculaires, Instituts nationaux des sciences naturelles du Japon, et ses collègues ont réalisé un tel hybride exotique avec des fonctions d'onde électroniques (Rydberg) de haute altitude qui se chevauchent, créées de manière cohérente en seulement 10 picosecondes par excitation laser ultrarapide dans un microcristal artificiel d'atomes ultrafroids. Le degré de chevauchement spatial est activement réglé avec une précision et une précision de près de 50 nanomètres. Ce gaz quantique exotique semblable à un métal sous contrôle exquis et à longue durée de vie, décroissant en nanosecondes, ouvre un tout nouveau régime de physique à N corps pour simuler la dynamique ultrarapide des électrons à N corps dominée par les interactions de Coulomb.

L'expérience a été réalisée avec un ensemble de 30, 000 atomes de rubidium en phase gazeuse. Il a été refroidi à une température inférieure à un 10 millionième de 1 Kelvin au-dessus d'un zéro absolu par refroidissement laser/évaporation. Ces atomes ultrafroids dans l'état quantique énergétiquement le plus bas, appelé condensat de Bose-Einstein, sont chargés dans un réseau cubique de pièges optiques formés de faisceaux laser contra-propagatifs, résultant en un microcristal artificiel constitué de 30, 000 atomes, dont la distance du voisin le plus proche est de 0,5 micron. Ce microcristal d'une taille de quelques dizaines de micromètres a été irradié avec une impulsion laser ultracourte dont la largeur d'impulsion était de 10 pico-secondes. Il a alors été observé qu'un électron confiné dans chacun des atomes voisins était excité vers son orbitale électronique géante (orbitale Rydberg), de sorte qu'ils se chevauchent spatialement. Le degré de chevauchement a été parfaitement contrôlé avec une précision et une précision de près de 50 nanomètres en changeant la fréquence laser qui sélectionne l'orbitale.

Lorsque les orbitales de ces électrons faiblement liés se chevauchent et que les atomes commencent à partager leurs orbitales, ils entrent dans un nouveau régime de gaz quantique de type métal. Le professeur Ohmori et ses collègues ont ainsi créé pour la première fois un gaz quantique semblable à un métal. Cette phase de matière exotique devrait constituer une plate-forme révolutionnaire pour la simulation quantique de la dynamique électronique ultrarapide à plusieurs corps dominée par les interactions de Coulomb, qui améliorerait notre compréhension des propriétés physiques de la matière, notamment la supraconductivité et le magnétisme, et pourrait contribuer à l'innovation de rupture dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels.

L'étude est publiée dans Lettres d'examen physique .