Les transitions de phase décrivent des changements spectaculaires dans les propriétés d'un système macroscopique, comme la transition d'un liquide à un gaz. A partir d'atomes ultrafroids individuels, Les physiciens de l'université d'Heidelberg ont pu observer l'émergence d'une telle transition avec un nombre croissant de particules. Les travaux de recherche ont été menés dans le domaine de la physique quantique sous la direction du Prof. Dr. Selim Jochim de l'Institut de physique.

Afin de formuler des théories efficaces en physique, les détails microscopiques sont mis de côté au profit de grandeurs macroscopiquement observables. Une tasse d'eau peut être décrite par des propriétés comme la pression, température et densité du fluide, alors que la position et la vitesse des molécules d'eau individuelles ne sont pas pertinentes. Une transition de phase décrit le changement d'un système macroscopique d'un état de la matière, comme un fluide, à un autre état de la matière, comme gazeux. Les propriétés des systèmes macroscopiques, appelés systèmes à plusieurs corps, peuvent être qualifiées d'émergentes car elles résultent de l'interaction de composants individuels qui eux-mêmes ne possèdent pas ces propriétés.

"Je m'intéresse depuis longtemps à la façon dont ce changement macroscopique spectaculaire à une transition de phase émerge de la description microscopique, " déclare Selim Jochim. Pour répondre à cette question, les chercheurs ont conçu une expérience dans laquelle ils ont assemblé un système à partir d'atomes ultrafroids individuels. En utilisant ce simulateur quantique, ils ont étudié comment le comportement collectif apparaît dans un système microscopique. À cette fin, ils ont piégé jusqu'à douze atomes dans un faisceau laser étroitement focalisé. Dans ce système artificiel, il est possible d'ajuster en continu la force d'interaction entre les atomes, de la non-interaction à la plus grande échelle d'énergie du système. "D'un côté, le nombre de particules dans le système est suffisamment petit pour décrire le système au microscope. D'autre part, les effets collectifs sont déjà évidents, " explique Luca Bayha, un post-doctorat dans l'équipe du Pr Jochim.

Dans leur expérience, les physiciens de Heidelberg ont configuré le simulateur quantique de telle sorte que les atomes s'attirent, et si l'attirance est assez forte, former des paires. Ces paires d'atomes sont l'ingrédient nécessaire pour une transition de phase vers un superfluide, un état dans lequel les particules s'écoulent sans friction. Les expériences actuelles se sont concentrées sur le moment où la formation de paires émerge en fonction de la force de l'interaction et du nombre de particules. "Le résultat surprenant de notre expérience est que seuls six atomes présentent toutes les signatures d'une transition de phase attendue pour un système à plusieurs particules, " ajoute Marvin Holten, un doctorant dans le groupe du Pr Jochim.