Un atome d'impureté peut progressivement évoluer en une quasiparticule en interagissant avec un milieu environnant. Ce processus est similaire à la distorsion d'un réseau cristallin causée par un électron qui se déplace à travers un solide, comme indiqué dans l'encart. Crédit :CCQ, Université d'Aarhus.
Au cours des dernières décennies, des physiciens du monde entier ont essayé de mieux comprendre la dynamique de non-équilibre dans les systèmes quantiques à N corps. Certaines études ont examiné ce que l'on appelle les quasiparticules, perturbations ou entités dans les systèmes physiques qui présentent un comportement similaire à celui des particules.
Des chercheurs de l'Université d'Aarhus ont récemment mené une étude sur la dynamique de non-équilibre d'une impureté quantique immergée dans un environnement bosonique. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , met en lumière le comportement dynamique des systèmes à plusieurs corps en interaction, tout en améliorant la compréhension actuelle de la formation des polarons de Bose.
"Notre récent article fait partie d'une enquête approfondie sur ce qu'on appelle les quasiparticules et est l'aboutissement d'une collaboration fructueuse entre les physiciens expérimentaux et théoriques de l'Université d'Aarhus, " Magnus G. Skou, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Les quasiparticules sont extrêmement intéressantes, puisqu'ils peuvent être constitués d'innombrables particules et de leurs excitations."
L'idée de quasiparticules a été introduite pour la première fois dans les années 1930 par le physicien Lev Landau, qui essayait de mieux comprendre les systèmes quantiques complexes. Les expériences menées par Skou et ses collègues s'appuient sur des modèles créés par Landau.
Dans leurs études, les chercheurs ont préparé des états de superposition cohérents d'atomes dans un condensat de Bose-Einstein avec une petite composante d'état d'impureté à l'aide d'une technique interférométrique. Ensuite, ils ont suivi l'évolution de ces superpositions quantiques et leur transition en quasiparticules polaroniques.
Partie centrale de l'expérimentation, où les atomes sont initialement piégés et refroidis à des températures bien inférieures à celle de l'espace interstellaire. Crédit :Lars Kruse/AU foto.
Remarquablement, les chercheurs ont pu observer la naissance d'une classe unique de quasiparticules, appelé Polarons Bose, pour la toute première fois. Alors que dans le passé, plusieurs groupes de recherche ont détecté des signes de ces quasiparticules en laboratoire, jusqu'à présent, l'observation de leur formation progressive au fil du temps s'est avérée très difficile, principalement parce que les processus par lesquels ils sont formés sont extrêmement rapides.
"Nous avons étudié comment les impuretés interagissent avec un milieu pur et se transforment en polarons Bose, " Skou a expliqué. "Nos expériences ont été réalisées en utilisant un milieu d'atomes refroidis à une température incroyablement basse de seulement un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, qui est bien au-dessous de la température de l'espace extra-atmosphérique."
En utilisant un gaz d'atomes ultrafroids, Skou et ses collègues ont pu étudier les impuretés quantiques dans des environnements extrêmement purs et bien contrôlés. Ces impuretés ont été créées en transférant quelques-uns des atomes du milieu dans un état quantique d'impuretés spécial, utilisant une impulsion radiofréquence ultrarapide de seulement 0,5 µs.
"Nous avons constaté que les impuretés commençaient à interagir dynamiquement avec les atomes du milieu et nous avons mesuré cette évolution à l'aide d'une autre courte impulsion radiofréquence, " a déclaré Skou. " Ce schéma à deux impulsions nous a permis d'observer la formation éventuelle de quasi-particules du polaron. "
Une partie de l'équipe expérimentale en 2018, lorsque les premières investigations ont commencé. Le professeur Jan Arlt (au milieu) tient une cellule de verre dans laquelle les atomes sont piégés et refroidis. Crédit :Lars Kruse/AU foto.
Dans leurs expériences, Skou et ses collègues ont observé trois régimes distincts d'évolution des impuretés marqués par des transitions dynamiques. Ces régimes relient ensuite la dynamique physique initiale à quelques corps et plus tard à plusieurs corps.
"Notre étude est un grand pas en avant dans la compréhension des polarons de Bose, leur dynamique de non-équilibre et leur formation, " dit Skou. " Ces phénomènes quantiques sont extrêmement fascinants en eux-mêmes, mais ils sont en outre supposés être des éléments clés dans les technologies exotiques telles que les semi-conducteurs organiques et les supraconducteurs."
À l'avenir, les découvertes recueillies par Skou et ses collègues pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour l'étude des phénomènes quantiques hors équilibre, ce qui pourrait à son tour éclairer le développement de nouvelles technologies à base de semi-conducteurs et de supraconducteurs. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient également d'étudier les façons dont les polarons interagissent les uns avec les autres.
"Ces interactions ont été théoriquement prédites en 2018 pour permettre à deux polarons de se lier l'un à l'autre, qui génère une toute nouvelle quasiparticule connue sous le nom de bipolaron de Bose, " a déclaré Skou. " Cela ajoute une toute nouvelle couche de physique quantique passionnante mais complexe. Bien que cette quasiparticule n'ait pas encore été vue dans un gaz ultrafroid, nous pensons que notre expérience peut avoir un potentiel pour observer son existence."
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