Au fil de l'histoire, le mathématicien et bricoleur grec Archimède est tombé sur une invention lors d'un voyage à travers l'Egypte ancienne qui portera plus tard son nom. C'était une machine constituée d'une vis logée à l'intérieur d'un tube creux qui emprisonnait et puisait l'eau lors de sa rotation. Maintenant, des chercheurs dirigés par le physicien de l'Université de Stanford Benjamin Lev ont développé une version quantique de la vis d'Archimède qui, à la place de l'eau, transporte des collections fragiles d'atomes de gaz vers des états d'énergie de plus en plus élevés sans s'effondrer. Leur découverte est détaillée dans un article publié le 14 janvier dans Science .

« Mon attente pour notre système était que la stabilité du gaz ne changerait que peu, " dit Lev, qui est professeur agrégé de physique appliquée et de physique à la School of Humanities and Sciences de Stanford. "Je ne m'attendais pas à voir un film dramatique, stabilisation complète de celui-ci. C'était au-delà de ma conception la plus folle."

Le long du chemin, les chercheurs ont également observé le développement d'états cicatriciels - des trajectoires extrêmement rares de particules dans un système quantique par ailleurs chaotique dans lequel les particules retracent à plusieurs reprises leurs étapes comme des pistes se chevauchant dans les bois. Les états cicatriciels sont particulièrement intéressants car ils peuvent offrir un refuge protégé pour les informations codées dans un système quantique. L'existence d'états cicatriciels au sein d'un système quantique avec de nombreuses particules en interaction - connu sous le nom de système quantique à plusieurs corps - n'a été confirmée que récemment. L'expérience de Stanford est le premier exemple de l'état cicatriciel dans un gaz quantique à plusieurs corps et seulement la deuxième observation du phénomène dans le monde réel.

Super et stable

Lev se spécialise dans les expériences qui étendent notre compréhension de la façon dont différentes parties d'un système quantique à plusieurs corps s'installent dans la même température ou le même équilibre thermique. Il s'agit d'un domaine d'investigation passionnant car résister à cette soi-disant « thermalisation » est essentiel pour créer des systèmes quantiques stables qui pourraient alimenter de nouvelles technologies, comme les ordinateurs quantiques.

Dans cette expérience, l'équipe a exploré ce qui se passerait si elle peaufinait un système expérimental à plusieurs corps très inhabituel, appelé un super gaz Tonks-Girardeau. Ce sont des gaz quantiques unidimensionnels hautement excités - des atomes à l'état gazeux qui sont confinés à une seule ligne de mouvement - qui ont été réglés de manière à ce que leurs atomes développent des forces d'attraction extrêmement fortes les uns envers les autres. Ce qui est super chez eux, c'est que, même sous des forces extrêmes, ils ne devraient théoriquement pas s'effondrer en une masse en forme de boule (comme le feront les gaz attractifs normaux). Cependant, en pratique, ils s'effondrent à cause d'imperfections expérimentales. Lev, qui a un penchant pour l'élément fortement magnétique dysprosium, se demandait ce qui se passerait si lui et ses étudiants créaient un super gaz Tonks-Girardeau avec des atomes de dysprosium et modifiaient leurs orientations magnétiques « juste comme ça ». Peut-être résisteraient-ils un peu mieux à l'effondrement que les gaz non magnétiques ?

"Les interactions magnétiques que nous avons pu ajouter étaient très faibles par rapport aux interactions attractives déjà présentes dans le gaz. Donc, nos attentes étaient que peu de choses changeraient. Nous pensions qu'il s'effondrerait encore, mais pas aussi facilement. " dit Lev, qui est également membre du Stanford Ginzton Lab et de Q-FARM. "Wow, avions-nous tort."

Leur variation de dysprosium a fini par produire un super gaz Tonks-Girardeau qui est resté stable quoi qu'il arrive. Les chercheurs ont basculé le gaz atomique entre les conditions attractives et répulsives, élever ou "visser" le système à des états d'énergie de plus en plus élevés, mais les atomes ne se sont toujours pas effondrés.

Construire à partir de la fondation

Bien qu'il n'y ait pas d'applications pratiques immédiates de leur découverte, le laboratoire Lev et leurs collègues développent la science nécessaire pour alimenter cette révolution technologique quantique que beaucoup prédisent. Pour l'instant, dit Lev, la physique des systèmes quantiques à N corps hors d'équilibre reste toujours surprenante.

"Il n'y a pas encore de manuel sur l'étagère que vous pouvez retirer pour vous dire comment construire votre propre usine quantique, " dit-il. " Si vous comparez la science quantique à l'endroit où nous étions lorsque nous avons découvert ce que nous avions besoin de savoir pour construire des usines chimiques, dire, c'est comme si nous faisions le travail de la fin du 19ème siècle en ce moment."

Ces chercheurs commencent seulement à examiner les nombreuses questions qu'ils se posent sur leur vis d'Archimède quantique, y compris comment décrire mathématiquement ces états cicatriciels et si le système se thermalise - ce qu'il doit éventuellement - comment il procède pour le faire. Plus immédiatement, ils prévoient de mesurer la quantité de mouvement des atomes dans les états cicatriciels pour commencer à développer une théorie solide expliquant pourquoi leur système se comporte comme il le fait.

Les résultats de cette expérience étaient si imprévus que Lev dit qu'il ne peut pas prédire avec certitude quelles nouvelles connaissances proviendront d'une inspection plus approfondie de la vis d'Archimède quantique. Mais ça, fait-il remarquer, est peut-être l'expérimentalisme à son meilleur.

"C'est l'une des rares fois dans ma vie où j'ai réellement travaillé sur une expérience qui était vraiment expérimentale et non une démonstration d'une théorie existante. Je ne savais pas quelle serait la réponse à l'avance, " dit Lev. " Ensuite, nous avons trouvé quelque chose de vraiment nouveau et inattendu et qui me fait dire, « Yay les expérimentateurs ! »