De nouvelles expériences utilisant des gaz unidimensionnels piégés - des atomes refroidis aux températures les plus froides de l'univers et confinés de manière à ne pouvoir se déplacer qu'en ligne - correspondent aux prédictions de la théorie récemment développée de "l'hydrodynamique généralisée". La mécanique quantique est nécessaire pour décrire les nouvelles propriétés de ces gaz. Parvenir à mieux comprendre comment de tels systèmes avec de nombreuses particules évoluent dans le temps est une frontière de la physique quantique. Le résultat pourrait grandement simplifier l'étude des systèmes quantiques qui ont été excités hors d'équilibre. Outre son importance fondamentale, il pourrait éventuellement éclairer le développement de technologies quantiques, qui comprennent des ordinateurs quantiques et des simulateurs, communication quantique, et capteurs quantiques. Un article décrivant les expériences d'une équipe dirigée par des physiciens de Penn State paraît le 2 septembre 2021 dans la revue Science .

Même au sein de la physique classique, où les complexités supplémentaires de la mécanique quantique peuvent être ignorées, il est impossible de simuler le mouvement de tous les atomes d'un fluide en mouvement. Pour approcher ces systèmes de particules, les physiciens utilisent des descriptions hydrodynamiques.

"L'idée de base de l'hydrodynamique est d'oublier les atomes et de considérer le fluide comme un continuum, " a déclaré Marcos Rigol, professeur de physique à Penn State et l'un des dirigeants de l'équipe de recherche. "Pour simuler le fluide, on finit par écrire des équations couplées qui résultent de l'imposition de quelques contraintes, comme la conservation de la masse et de l'énergie. Ce sont les mêmes types d'équations résolues, par exemple, pour simuler la circulation de l'air lorsque vous ouvrez les fenêtres pour améliorer la ventilation d'une pièce."

La matière devient plus compliquée si la mécanique quantique est impliquée, comme c'est le cas lorsqu'on veut simuler des systèmes quantiques à plusieurs corps qui sont hors d'équilibre.

"Les systèmes quantiques à plusieurs corps, qui sont composés de nombreuses particules en interaction, tels que les atomes - sont au cœur de l'atome, nucléaire, et physique des particules, " a déclaré David Weiss, Professeur émérite de physique à Penn State et l'un des chefs de file de l'équipe de recherche. "Auparavant, sauf dans des limites extrêmes, vous ne pouviez pas faire de calcul pour décrire les systèmes quantiques à N corps hors d'équilibre. Cela a récemment changé."

Le changement a été motivé par le développement d'un cadre théorique connu sous le nom d'hydrodynamique généralisée.

"Le problème avec ces systèmes quantiques à plusieurs corps dans une dimension est qu'ils ont tellement de contraintes sur leur mouvement que les descriptions hydrodynamiques régulières ne peuvent pas être utilisées, " a déclaré Rigol. " L'hydrodynamique généralisée a été développée pour garder une trace de toutes ces contraintes. "

Jusqu'à maintenant, l'hydrodynamique généralisée n'avait auparavant été testée expérimentalement que dans des conditions où la force des interactions entre les particules était faible.

"Nous avons entrepris de tester la théorie plus avant, en examinant la dynamique des gaz unidimensionnels avec une large gamme de forces d'interaction, " a déclaré Weiss. " Les expériences sont extrêmement bien contrôlées, ainsi les résultats peuvent être précisément comparés aux prédictions de cette théorie.

L'équipe de recherche utilise des gaz unidimensionnels d'atomes en interaction qui sont initialement confinés dans un piège très peu profond en équilibre. Ils multiplient alors très brutalement la profondeur du piège par 100, qui force les particules à s'effondrer au centre du piège, provoquant le changement de leurs propriétés collectives. Tout au long de l'effondrement, l'équipe mesure précisément leurs propriétés, qu'ils peuvent ensuite comparer aux prédictions de l'hydrodynamique généralisée.

"Nos mesures correspondaient à la prédiction de la théorie sur des dizaines d'oscillations de pièges, " a déclaré Weiss. " Il n'y a actuellement pas d'autres moyens d'étudier les systèmes quantiques hors d'équilibre pendant de longues périodes de temps avec une précision raisonnable, surtout avec beaucoup de particules. L'hydrodynamique généralisée nous permet de le faire pour certains systèmes comme celui que nous avons testé, mais il reste encore à déterminer dans quelle mesure il est généralement applicable."