Les gaz quantiques constitués d'atomes sont extrêmement adaptés à l'observation des phénomènes de mécanique quantique et à la fabrication de nouveaux types de matière quantique. Dans son doctorat. recherche Mestrom a pu quantifier les effets des collisions à trois particules dans ces gaz ultrafroids. Avec une nouvelle méthode numérique, il a pu caractériser et prédire certains effets de ces collisions. Il a soutenu son doctorat. le 27 septembre au département de physique appliquée.

Un gaz quantique peut être créé à partir d'un gaz atomique en refroidissant les atomes à des températures inférieures à un microkelvin. Ceci est très proche du zéro absolu et correspond à environ -273 degrés Celsius. La densité de ces gaz quantiques atomiques est extrêmement faible, des milliers de fois inférieure à la densité de l'air qui nous entoure.

Force d'interaction

En outre, ils sont très petits avec un diamètre typique de la largeur d'un cheveu. Les propriétés de ces gaz quantiques ultrafroids dépendent des interactions entre les particules qui entrent en collision les unes avec les autres. En raison de la densité extrêmement faible, les collisions entre deux particules se produisent beaucoup plus souvent que les collisions entre trois particules ou plus. Néanmoins, les collisions à trois particules ont un impact majeur sur la stabilité des gaz quantiques ultrafroids.

En utilisant les lois de la mécanique quantique, Mestrom a pu dériver une force d'interaction qui peut être utilisée pour quantifier les effets de ces collisions à trois particules. Il a développé une méthode numérique qui lui a permis de calculer cette force d'interaction pour différents types de systèmes à trois particules et d'étudier les collisions élastiques et inélastiques entre trois particules.

Gaz en liquide

D'abord, il a enquêté sur les collisions entre trois particules identiques. Lorsque l'interaction entre deux particules est juste assez forte pour former une molécule sans moment angulaire orbital (une molécule dite d'onde s), trois particules peuvent former une infinité de types de molécules. Mestrom a analysé comment la mise à l'échelle universelle de la taille de ces molécules, connue sous le nom d'effet Efimov, est influencée par les modèles décrivant les interactions à deux particules.

En outre, l'effet des collisions élastiques à trois particules sur les gaz quantiques ultrafroids est accru lorsque la force d'interaction à deux particules est extrêmement faible. Mestrom a montré que la force d'interaction entre trois atomes se comporte alors de manière universelle. De plus, cette force d'interaction a un effet répulsif sur le gaz quantique. Cette force répulsive peut même stabiliser un gaz quantique instable en un liquide quantique.

Tournoyer

Des effets accrus des collisions élastiques à trois particules se produisent également dans les mélanges gazeux ultrafroids. Ça arrive, par exemple, lorsque deux particules non identiques peuvent former une molécule faiblement liée avec un moment angulaire orbital positif (une molécule dite d'onde p). La force d'interaction à trois particules se comporte alors de manière universelle.

Par ailleurs, les particules de mécanique quantique peuvent avoir un moment cinétique intrinsèque. C'est ce qu'on appelle la rotation. On peut créer des gaz quantiques ultrafroids dans lesquels les particules ont la liberté de changer leur état de spin. Ce changement peut se produire via des collisions avec d'autres particules.

Dans sa thèse, Mestrom a étudié la contribution des collisions à trois particules à la dynamique de spin. De cette façon, il a déterminé l'effet des collisions à trois particules sur les propriétés magnétiques des gaz quantiques atomiques. De plus, il a prédit comment cet effet peut être amélioré en utilisant le rayonnement électromagnétique et les champs magnétiques.