Le comportement des aimants quantiques microscopiques est depuis longtemps un sujet enseigné dans les cours de physique théorique. Cependant, étudier la dynamique de systèmes qui sont loin de l'équilibre et les observer "en direct" a été difficile jusqu'à présent. C'est précisément ce que les chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching ont accompli en utilisant un microscope à gaz quantique. Avec cet outil, les systèmes quantiques peuvent être manipulés puis imagés avec une résolution si élevée que même les atomes individuels sont visibles. Les résultats des expériences sur les chaînes linéaires de spins montrent que la façon dont leur orientation se propage correspond à la superdiffusion dite de Kardar-Parisi-Zhang. Cela confirme une conjecture qui a récemment émergé de considérations théoriques.

Une équipe de physiciens autour du Dr Johannes Zeiher et du professeur Immanuel Bloch a les yeux rivés sur des objets que les autres ne voient presque jamais. Les chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) à Garching utilisent un microscope à gaz quantique pour suivre les processus à l'échelle minuscule de la physique quantique. Un tel instrument permet, à l'aide d'atomes et de lasers, de créer spécifiquement des systèmes quantiques aux propriétés souhaitées et de les étudier à haute résolution. Dans ces expériences, les chercheurs se concentrent également sur les phénomènes de transport, c'est-à-dire comment les objets quantiques se déplacent dans certaines conditions externes.

L'équipe vient de faire une surprenante découverte expérimentale. Les chercheurs ont pu montrer que le transport unidimensionnel des spins - le terme "spin" désigne une propriété quantique magnétique spécifique des atomes et d'autres particules - ressemble à des phénomènes macroscopiques dans certaines zones. Pour la plupart, les processus dans le domaine quantique et dans le monde quotidien diffèrent considérablement. "Mais nos travaux révèlent un lien intéressant entre les systèmes de spin mécaniques quantiques dans les atomes froids et les systèmes classiques tels que la croissance de colonies bactériennes ou la propagation d'incendies de forêt", explique Johannes Zeiher, chef de groupe dans la division Quantum Many-Body Systems au MPQ. "Cette découverte est complètement inattendue et indique un lien profond dans le domaine de la physique hors équilibre qui est encore mal compris."

Les physiciens appellent « l'universalité » une telle analogie théorique entre le mouvement aléatoire dans les systèmes quantiques et classiques. Dans ce cas précis, il s'agit de l'universalité de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), un phénomène auparavant connu uniquement de la physique classique.

L'exposant révélateur

Afin d'observer le phénomène au microscope, l'équipe de Garching a d'abord refroidi un nuage d'atomes à des températures proches du zéro absolu. De cette façon, les mouvements dus à la chaleur pourraient être exclus. Ensuite, ils ont enfermé les atomes ultrafroids dans un potentiel "en forme de boîte" spécialement formé, formé par un agencement de minuscules miroirs. "Nous l'avons utilisé pour étudier la relaxation d'une seule paroi de domaine magnétique dans une chaîne de 50 spins disposés linéairement", explique David Wei, chercheur dans le groupe de Johannes Zeiher. La paroi de domaine sépare les zones avec une orientation identique des spins voisins les unes des autres. Les chercheurs ont d'abord créé le mur de domaine pour l'expérience en utilisant une nouvelle astuce, par laquelle un "champ magnétique effectif" était généré en projetant de la lumière. Ce faisant, les chercheurs peuvent supprimer fortement les couplages entre les spins, les "verrouillant" efficacement en place.

La relaxation au sein de la chaîne de spin s'est produite après que les couplages entre les spins ont été activés de manière contrôlée et, il s'est avéré, a suivi un schéma caractéristique. "Cela peut être décrit mathématiquement par une loi de puissance avec l'exposant 3/2", explique Wei - un indice sur le lien avec l'universalité KPZ. Une preuve supplémentaire de cette relation a été fournie lorsque les chercheurs ont détecté le mouvement de spins individuels, qui a été révélé par le microscope à gaz quantique.

"Cette haute précision a servi de base à une évaluation statistique détaillée", explique Zeiher. "Le cours saisissant de diffusion de spin que notre expérience a montré correspond dans sa forme mathématique approximativement à la propagation d'une tache de café sur une nappe, par exemple", explique le physicien Max Planck. Qu'un lien aussi étonnant puisse exister avait été soupçonné par une équipe de théoriciens il y a environ deux ans sur la base de considérations théoriques. Cependant, la confirmation expérimentale de cette hypothèse manquait encore.

Un ancien modèle étonne les physiciens

Pour la description des phénomènes de spin mécanique quantique, les physiciens utilisent depuis longtemps avec beaucoup de succès le modèle dit de Heisenberg (mais ce n'est que récemment que les phénomènes de transport de spin ont pu être décrits théoriquement dans ce modèle). "Nos résultats montrent que de nouvelles idées surprenantes sont encore possibles, même dans un cadre théorique établi", souligne Johannes Zeiher. "Et ils sont la preuve de la façon dont la théorie et l'expérience se fertilisent en physique."

Les résultats qui ont maintenant été obtenus par l'équipe de Garching n'ont pas seulement une valeur académique. Ils pourraient également être utiles pour des applications techniques tangibles. Par exemple, les spins constituent également la base de certaines formes d'ordinateurs quantiques. La connaissance des propriétés de transport des supports d'informations pourrait être d'une importance cruciale pour la réalisation pratique de ces nouvelles architectures informatiques.

L'étude apparaît dans Science . + Explorer plus loin

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