Les propriétés quantiques sous-jacentes à la formation des cristaux peuvent être reproduites et étudiées à l'aide d'atomes ultrafroids. Une équipe dirigée par le Dr Axel U. J. Lode de l'Institut de physique de l'Université de Fribourg a maintenant décrit dans la revue Lettres d'examen physique comment l'utilisation d'atomes dipolaires permet même la réalisation et la mesure précise de structures qui n'ont encore été observées dans aucun matériau. L'étude théorique était une collaboration impliquant des scientifiques de l'Université de Fribourg, l'Université de Vienne et l'Université technique de Vienne en Autriche, et l'Institut indien de technologie de Kanpur, Inde.

Les cristaux sont omniprésents dans la nature. Ils sont formés de nombreux matériaux différents, des sels minéraux aux métaux lourds comme le bismuth. Leurs structures émergent parce qu'un ordre particulier régulier d'atomes ou de molécules est favorable, car il nécessite la plus petite quantité d'énergie. Un cube avec un constituant sur chacun de ses huit coins, par exemple, est une structure cristalline très répandue dans la nature. La structure d'un cristal détermine plusieurs de ses propriétés physiques, comme la façon dont il conduit un courant ou de la chaleur ou comment il se fissure et se comporte lorsqu'il est illuminé par la lumière. Mais qu'est-ce qui détermine ces structures cristallines ? Ils émergent en conséquence des propriétés quantiques et des interactions entre leurs constituants, lequel, cependant, sont souvent scientifiquement difficiles à comprendre et aussi à mesurer.

Pour néanmoins aller au fond des propriétés quantiques de la formation des structures cristallines, les scientifiques peuvent simuler le processus à l'aide de condensats de Bose-Einstein, des atomes ultrafroids piégés refroidis à des températures proches du zéro absolu ou de moins 273,15 degrés Celsius. Les atomes de ces systèmes très artificiels et très fragiles sont extrêmement bien maîtrisés.

Avec un réglage minutieux, les atomes ultrafroids se comportent exactement comme s'ils étaient les constituants formant un cristal. Bien que la construction et l'exécution d'un tel simulateur quantique soient une tâche plus exigeante que la simple croissance d'un cristal à partir d'un certain matériau, la méthode offre deux avantages principaux :les scientifiques peuvent régler les propriétés du simulateur quantique presque à volonté, ce qui n'est pas possible pour les cristaux conventionnels. Seconde, la lecture standard des simulateurs quantiques à atomes froids sont des images contenant des informations sur toutes les particules de cristal. Pour un cristal conventionnel, par contre, seul l'extérieur est visible, tandis que l'intérieur - et en particulier ses propriétés quantiques - est difficile à observer.

Les chercheurs de Fribourg, Vienne, et Kanpur décrivent dans leur étude qu'un simulateur quantique pour la formation de cristaux est beaucoup plus flexible lorsqu'il est construit à l'aide de particules quantiques dipolaires ultrafroides. Les particules quantiques dipolaires permettent de réaliser et d'étudier non seulement des structures cristallines conventionnelles, mais aussi des arrangements qui n'étaient jusqu'alors pas vus pour aucun matériel. L'étude explique comment ces ordres cristallins émergent d'une concurrence intrigante entre cinétique, potentiel, et l'énergie d'interaction et comment les structures et les propriétés des cristaux résultants peuvent être évaluées avec des détails sans précédent.