Silvia Musolino a soutenu son doctorat. sur de nouvelles connaissances théoriques en physique quantique en étudiant les gaz aux températures les plus basses constitués de nombreux atomes.

Un moyen pratique d'étudier la mécanique quantique est fourni par les gaz qui ont une densité extrêmement faible et se composent de nombreux atomes, souvent plus de cent mille, refroidi à des températures proches du zéro absolu. Silvia Musolino a étudié différents types d'interactions entre ces atomes, offrant de nouvelles voies pour de futures recherches sur de nouvelles technologies telles que les ordinateurs quantiques.

Les lois de la mécanique quantique régissent la physique à l'échelle atomique et se distingue par la mécanique classique, qui traite principalement des phénomènes naturels que nous pouvons voir, écouter, ou toucher. Cependant, même la mécanique quantique influence notre vie quotidienne. Transistors, qui sont des composants essentiels des appareils électroniques, sont basés sur les effets de la mécanique quantique. De plus, la mécanique quantique ouvre la voie à de nouvelles technologies qui peuvent fortement impacter nos vies, comme les ordinateurs quantiques.

Atomes se déplaçant tous ensemble

Dans les gaz de densité extrêmement faible, bien inférieure à la densité de l'air, les atomes peuvent à peine se voir. Le comportement de ces systèmes ne dépend que de quelques paramètres, par exemple la densité et la température. Cela permet de construire des modèles théoriques très généraux capables de décrire des systèmes nombreux et très différents.

En mécanique quantique, les atomes se comportent comme des ondes avec une échelle de longueur caractéristique, appelée longueur d'onde thermique. A basse température, cette échelle devient plus grande que l'espacement entre deux atomes, et ainsi les ondes associées aux atomes peuvent être additionnées conduisant à des phénomènes collectifs, comme la condensation de Bose-Einstein.

Lorsque les atomes subissent une condensation de Bose-Einstein, ils commencent à se déplacer tous ensemble dans la même direction et, même s'ils sont nombreux, ils se comportent comme une seule entité. Au cours de son projet de thèse, Musolino a analysé ce phénomène en utilisant la fonction de corrélation à un corps, qui quantifie la connexion mutuelle des atomes à l'intérieur du condensat de Bose-Einstein.

Formation de composites

Par ailleurs, elle a étudié d'autres types de corrélations considérant les interactions entre atomes. Les interactions sont caractérisées par un paramètre appelé longueur de diffusion, qui peut être interprété comme la distance de l'atome dans laquelle les interactions fonctionnent effectivement. Les interactions fortes signifient que la longueur de diffusion est beaucoup plus grande que l'espacement entre les atomes. En particulier, Musolino a considéré les interactions fortes induites par un changement rapide de la longueur de diffusion dans le temps; cela rend les corrélations dépendantes du temps et entraîne un déséquilibre du système.

Un atome est un boson si le nombre de neutrons dans le noyau est pair, sinon c'est un fermion. Les atomes bosoniques aiment rester ensemble, ce qui signifie qu'ils peuvent occuper le même état; au lieu, les fermions sont "moins sociaux" et deux fermions ne peuvent occuper le même état que s'ils ont deux spins différents, qui est une propriété intrinsèque de la particule.

Puisque la formation des composites dépend du type d'atomes, Musolino a développé un cadre théorique général capable de suivre la dynamique des corrélations à quelques corps dans un système composé de nombreux atomes et a appliqué cette méthode aux gaz bosoniques et fermioniques.

Dans ce modèle, elle a également inclus des fonctionnalités expérimentales, comme la présence d'un piège à conteneurs, ce qui rend les atomes pas entièrement libres de se déplacer, et a fait de nombreuses comparaisons avec les données expérimentales existantes, une découverte importante. Dans sa théorie, elle a montré comment la présence de composites modifie la dynamique de l'ensemble du système à plusieurs corps, offrant de nouvelles voies pour les recherches futures.