Restitution artistique de l'expérience réalisée par les chercheurs. À l'avenir, ils envisagent d'étendre leurs méthodes d'imagerie et d'analyse aux systèmes en interaction, pour étudier l'appariement et la superfluidité dans des systèmes de Fermi mésoscopiques fortement corrélés. Crédits :Jonas Ahlstedt, Centre de bio-imagerie de Lund (LIBC).
Le principe d'exclusion de Pauli est une loi de la mécanique quantique introduite par le physicien autrichien Wolfgang Pauli, qui offre des informations précieuses sur la structure de la matière. Plus précisement, le principe de Pauli stipule que deux ou plusieurs fermions identiques ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique à l'intérieur d'un système quantique.
Des chercheurs de l'Institut de physique de l'Université de Heidelberg ont récemment observé ce principe directement dans un système continu comprenant jusqu'à six particules. Leur expérience, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension des systèmes fortement interactifs constitués de fermions.
« La vision d'étudier des systèmes complexes à plusieurs corps à partir de petits, bien compris, blocs de construction a une longue histoire dans notre groupe, " Luca Bayha et Marvin Holten, deux des chercheurs qui ont mené l'étude récente, a dit à Phys.org par e-mail. "Cela a commencé avec des expériences où nous avons formé une mer de fermi un atome à la fois, aboutissant à l'une de nos dernières études où nous avons pu observer des signes d'une transition de phase quantique dans des systèmes d'aussi peu que six atomes. »
Dans les années récentes, Bayha, Holten et leurs collègues ont déployé beaucoup d'efforts pour développer une nouvelle technique qui leur permet d'imager des atomes uniques dans des systèmes mésoscopiques, afin de les examiner plus en détail. Dans leur récente étude, ils ont appliqué pour la première fois cette technique à des systèmes continus comportant jusqu'à six atomes fermioniques sans interaction.
Le cristal de Pauli montre dans quelle configuration trois atomes fermioniques s'alignent le plus fréquemment dans un piège harmonique bidimensionnel. Les fortes corrélations entre les positions relatives des particules sans interaction sont le résultat du principe d'exclusion de Pauli. L'image a été créée en analysant plusieurs milliers d'images expérimentales avec une résolution à un seul atome. Crédits :Groupe Selim Jochim, Université Heidelberg.
"L'objectif principal de notre étude était d'observer des corrélations d'ordre supérieur dans un système continu, " Bayha et Holten ont déclaré. " Le système sans interaction constitue un point de départ idéal pour comparer notre expérience. "
En 2016, un groupe de recherche dirigé par Mariusz Gajda a d'abord proposé que les corrélations d'ordre supérieur puissent être visualisées sous la forme de «cristaux de Pauli». Les cristaux de Pauli sont de beaux motifs qui peuvent émerger dans un nuage de fermions piégés et sans interaction.
Jusque là, Bayha, Holten et leurs collègues ont observé ces modèles dans des systèmes contenant jusqu'à six particules. Dans le futur proche, cependant, ils espèrent mener d'autres expériences avec plus de particules et d'interactions fortes. Cela leur permettrait d'examiner plus avant l'appariement et la superfluidité dans les systèmes 2D.
"L'observation directe du principe de Pauli dans les systèmes continus impose des exigences plutôt difficiles à l'expérience, " Bayha et Holten ont expliqué. " Le système doit être suffisamment froid et contrôlé à de très faibles échelles d'énergie absolue. Seulement à ce moment-là, les fonctions d'onde des particules individuelles se chevauchent et leur nature fermionique devient importante."
Le cristal de Pauli montre dans quelle configuration six atomes fermioniques s'alignent le plus fréquemment dans un piège harmonique bidimensionnel. Les fortes corrélations entre les positions relatives des particules sans interaction sont le résultat du principe d'exclusion de Pauli. L'image a été créée en analysant plusieurs milliers d'images expérimentales avec une résolution d'un seul atome. Crédits :Groupe Selim Jochim, Université Heidelberg.
Pour s'assurer qu'ils pouvaient observer directement le principe de Pauli dans les systèmes continus, les chercheurs ont mis au point une technique de refroidissement qu'ils ont mise au point il y a quelques années. Cette technique permet d'éliminer d'un système tous les atomes « chauds » avec des énergies plus élevées d'une manière déterministe. En supprimant ces atomes, les chercheurs ont pu préparer le terrain du système (c'est-à-dire, l'énergie la plus basse) avec des niveaux de fidélité élevés.
Après avoir suffisamment refroidi un système, Bayha, Holten et leurs collègues avaient besoin de recueillir des observations avec une résolution d'un seul atome et une haute fidélité de détection, respecter le principe de Pauli. Ils y sont parvenus en laissant le nuage d'atomes s'étendre pendant un temps donné avant de prendre une image.
Rendu du montage expérimental (pas à l'échelle). Les atomes sont piégés dans un site unique d'une nappe de lumière attrayante ("crêpe") superposée avec une pince optique étroitement focalisée. Le système est imagé avec une résolution d'un seul atome à travers un objectif à haute résolution (en haut). Crédits :Groupe Selim Jochim, Université Heidelberg.
"La méthode que nous avons utilisée grossit efficacement le système d'un facteur 50, " Bayha et Holten ont déclaré. "Nous illuminons ensuite le nuage avec deux faisceaux laser opposés et collectons des photons dispersés sur une caméra extrêmement sensible qui détecte presque chaque photon qui frappe la puce. Ensemble, ces méthodes nous permettent de résoudre des atomes uniques avec des probabilités de détection de l'ordre de 99 %."
Image du dispositif expérimental des chercheurs. La chambre à vide principale en forme d'octogone est située au centre de l'image. Ici, une pince à épiler optique est recouverte d'un piège à nappe lumineuse ("crêpe") afin de créer une géométrie de piégeage bidimensionnelle pour les atomes. Crédits :Groupe Selim Jochim, Université Heidelberg.
Les observations recueillies par cette équipe de chercheurs démontrent que la corrélation entre les particules individuelles peut également être observée dans les systèmes continus, dans lequel les fonctions d'onde des particules individuelles se chevauchent. Jusque là, la Bayha, Holten et leurs collègues ont utilisé la technique qu'ils ont développée pour observer les cristaux de Pauli, qui sont de belles visualisations du principe de Pauli. Cependant, la même technique pourrait bientôt être utilisée pour explorer d'autres systèmes à N corps fortement corrélés.
Image unique de six atomes fermioniques confinés dans un piège oscillateur harmonique bidimensionnel. L'image a été prise après une extension du système afin d'augmenter la résolution effective. Crédits :Groupe Selim Jochim, Université Heidelberg.
"Nous envisageons maintenant d'étendre la méthode d'imagerie aux systèmes en interaction, " Holten et Bayha ont dit. " Ici, les corrélations entre les particules ne sont pas dues au principe de Pauli mais sont dues à des interactions. Cela nous permettra de sonder comment les corrélations dans les systèmes en interaction surviennent à un niveau microscopique et de donner de nouvelles informations sur la matière fermionique et les superfluides en forte interaction. »
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