Ils étaient là, dans toute leur étrange gloire quantique :des atomes de lithium ultrafroids dans le piège optique exploité par l'étudiant de premier cycle de l'UC Santa Barbara, Alec Cao, et ses collègues du groupe de physique atomique de David Weld. Tenu par des lasers dans un régulier, formation de treillis et « conduite » par des impulsions d'énergie, ces atomes faisaient des choses folles.

"C'était un peu bizarre, " Weld a dit. " Les atomes seraient pompés dans une direction. Parfois, ils étaient pompés dans une autre direction. Parfois, ils se déchiraient et créaient ces structures qui ressemblaient à de l'ADN."

Ces comportements nouveaux et inattendus sont le résultat d'une expérience menée par Cao, Weld et ses collègues pour repousser les limites de notre connaissance du monde quantique. Les résultats ? De nouvelles orientations dans le domaine de l'ingénierie quantique dynamique, et un chemin alléchant vers un lien entre la physique classique et quantique.

Leurs recherches sont publiées dans la revue Examen physique de la recherche .

"Beaucoup de choses amusantes se produisent lorsque vous secouez un système quantique, " dit la soudure, dont le laboratoire crée des "solides artificiels" - des réseaux d'atomes légers et ultrafroids de faible dimension - pour simuler le comportement des particules de mécanique quantique dans des solides vrais plus denses lorsqu'ils sont soumis à des forces motrices. Les expériences récentes étaient les dernières d'un raisonnement qui remonte à 1929, lorsque le physicien et lauréat du prix Nobel Felix Bloch a prédit pour la première fois que dans les limites d'une structure quantique périodique, une particule quantique sous une force constante oscillera.

"En fait, ils se balancent d'avant en arrière, qui est une conséquence de la nature ondulatoire de la matière, " Weld a déclaré. Alors que ces oscillations de Bloch de l'espace de position ont été prédites il y a près d'un siècle, ils n'ont été observés directement que relativement récemment; en fait, le groupe de Weld a été le premier à les voir en 2018, avec une méthode qui les rendait souvent rapides, des clapotis infinitésimaux grands et lents, et facile à voir.

Il y a une décennie, d'autres expériences ont ajouté une dépendance temporelle au système oscillant de Bloch en le soumettant à une force périodique, et a trouvé une activité encore plus intense. Des oscillations au-dessus des oscillations – des super oscillations de Bloch – ont été découvertes.

Pour cette étude, les chercheurs ont poussé le système encore plus loin, en modifiant l'espace dans lequel ces atomes interagissent.

"Nous sommes en train de changer le treillis, " dit la soudure, au moyen d'intensités laser variables et de forces magnétiques externes qui non seulement ont ajouté une dépendance temporelle mais ont également incurvé le réseau, créant un champ de force inhomogène. Leur méthode de création de grandes, oscillations lentes, il ajouta, « nous a donné l'occasion d'examiner ce qui se passe lorsque vous avez un système oscillant Bloch dans un environnement inhomogène. »

C'est à ce moment-là que les choses sont devenues bizarres. Les atomes ont fait des allers-retours, parfois s'écarter, d'autres fois, créant des motifs en réponse aux impulsions d'énergie poussant sur le réseau de diverses manières.

« Nous pourrions suivre leurs progrès avec des chiffres si nous y travaillions dur, " Weld a déclaré. "Mais c'était un peu difficile de comprendre pourquoi ils font une chose et pas l'autre."

C'était un aperçu de Cao, l'auteur principal de l'article, cela a conduit à un moyen de déchiffrer le comportement étrange.

"Lorsque nous avons étudié la dynamique pour tous les instants à la fois, nous venons de voir un gâchis parce qu'il n'y avait pas de symétrie sous-jacente, rendre la physique difficile à interpréter, " dit Cao, qui entame sa quatrième année au College of Creative Studies de l'UCSB.

Pour dessiner la symétrie, les chercheurs ont simplifié ce comportement apparemment chaotique en éliminant une dimension (dans ce cas, temps) en utilisant une technique mathématique initialement développée pour observer une dynamique non linéaire classique appelée section de Poincaré.

« Dans notre expérience, un intervalle de temps est défini par la façon dont nous modifions périodiquement le réseau dans le temps, " a déclaré Cao. "Quand nous avons jeté tous les moments " intermédiaires " et examiné le comportement une fois par période, la structure et la beauté ont émergé dans les formes des trajectoires parce que nous respections correctement la symétrie du système physique. .

"Ce qu'Alec a compris, c'est que ces chemins - ces orbites de Poincaré - nous disent exactement pourquoi dans certains régimes d'entraînement les atomes sont pompés, tandis que dans d'autres régimes d'entraînement les atomes s'étalent et brisent la fonction d'onde, " Weld a ajouté. Une direction que les chercheurs pourraient prendre à partir d'ici, il a dit, est d'utiliser ces connaissances pour concevoir des systèmes quantiques afin d'avoir de nouveaux comportements grâce à la conduite, avec des applications dans des domaines en plein essor tels que l'informatique quantique topologique.

"Mais une autre direction que nous pouvons prendre est de voir si nous pouvons étudier l'émergence du chaos quantique alors que nous commençons à faire des choses comme ajouter des interactions à un système piloté comme celui-ci, " a dit la soudure.

Ce n'est pas une mince affaire. Depuis des décennies, les physiciens essaient de trouver des liens entre la physique classique et la physique quantique - un calcul commun qui pourrait expliquer des concepts dans un domaine qui semblent n'avoir aucun analogue dans l'autre, comme le chaos classique, dont le langage n'existe pas en mécanique quantique.

"Vous avez probablement entendu parler de l'effet papillon - un papillon battant des ailes dans les Caraïbes peut provoquer un typhon quelque part à travers le monde, " a déclaré Weld. " C'est en fait une caractéristique des systèmes chaotiques classiques, qui ont une dépendance sensible aux conditions initiales. Cette caractéristique est en fait très difficile à reproduire dans les systèmes quantiques - il est déroutant de trouver la même explication dans les systèmes quantiques. C'est donc peut-être un petit morceau de ce corpus de recherche. »