Aujourd'hui, les chercheurs de l'ICFO (Barcelone, Espagne) Sandra Buob, Jonatan Höschele, le Dr Vasiliy Makhalov et le Dr Antonio Rubio-Abadal, dirigés par le professeur ICREA à l'ICFO Leticia Tarruell, expliquent comment ils ont construit leur propre microscope à gaz quantique, nommé QUIONE. d'après la déesse grecque de la neige. Le microscope à gaz quantique du groupe est le seul au monde à visualiser des atomes individuels de gaz quantiques de strontium, ainsi que le premier du genre en Espagne.

Les recherches de l'équipe sont publiées dans la revue PRX Quantum .

Au-delà des images percutantes dans lesquelles des atomes individuels peuvent être distingués, l'objectif de QUIONE est la simulation quantique. Comme l'explique le professeur Tarruell, "la simulation quantique peut être utilisée pour résumer des systèmes très complexes en modèles plus simples afin de comprendre les questions ouvertes auxquelles les ordinateurs actuels ne peuvent pas répondre, comme par exemple pourquoi certains matériaux conduisent l'électricité sans aucune perte, même à des températures relativement élevées."

La singularité de cette expérience réside dans le fait que l’équipe a réussi à amener le strontium gazeux au régime quantique, à le placer dans un réseau optique où les atomes pourraient interagir par collisions, puis à appliquer les techniques d’imagerie d’un seul atome. Ces trois ingrédients rendent le microscope à gaz quantique au strontium d'ICFO unique.

Pourquoi le strontium ?

Jusqu'à présent, ces configurations de microscope reposaient sur des atomes alcalins, comme le lithium et le potassium, qui ont des propriétés plus simples en termes de spectre optique par rapport aux atomes alcalino-terreux comme le strontium. Cela signifie que le strontium offre plus d'ingrédients avec lesquels jouer dans ces expériences.

En fait, ces dernières années, les propriétés uniques du strontium en ont fait un élément très populaire pour les applications dans les domaines de l’informatique quantique et de la simulation quantique. Par exemple, un nuage d'atomes de strontium peut être utilisé comme processeur quantique atomique, ce qui pourrait résoudre des problèmes dépassant les capacités des ordinateurs classiques actuels.

Dans l’ensemble, les chercheurs de l’ICFO ont vu un grand potentiel pour la simulation quantique dans le strontium et ont commencé à construire leur propre microscope à gaz quantique. C'est ainsi qu'est né QUIONE.

QUIONE, un simulateur quantique de cristaux réels

À cette fin, l’équipe a d’abord abaissé la température du strontium gazeux. En utilisant la force de plusieurs faisceaux laser, ils ont réduit la vitesse des atomes à un point où ils sont restés presque immobiles, bougeant à peine, leur température étant réduite à presque le zéro absolu en quelques millisecondes seulement. Après ce point, les lois de la mécanique quantique régissaient leur comportement et les atomes présentaient de nouvelles caractéristiques telles que la superposition et l'intrication quantiques.

Après cela, à l'aide de lasers spéciaux, les chercheurs ont activé le réseau optique, qui maintient les atomes disposés dans une grille le long de l'espace.

"Vous pouvez l'imaginer comme une boîte à œufs, où les sites individuels sont en fait l'endroit où vous mettez les œufs. Mais au lieu d'œufs, nous avons des atomes, et au lieu d'une boîte, nous avons le réseau optique", explique Buob, le premier auteur. de l'article.

Les atomes dans le coquetier interagissaient les uns avec les autres, subissant parfois un tunnel quantique pour se déplacer d'un endroit à un autre. Cette dynamique quantique entre atomes imite celle des électrons dans certains matériaux. L'étude de ces systèmes peut donc éclairer le comportement complexe de certains matériaux, ce qui est l'idée clé de la simulation quantique.

Les chercheurs ont pris les images avec leur microscope dès que le gaz et le réseau optique étaient prêts et ont enfin pu observer leur gaz quantique de strontium atome par atome. A cette époque, la construction de QUIONE était déjà un succès, mais ses créateurs voulaient en tirer encore plus.

Ainsi, en plus des images, ils ont pris des vidéos des atomes et ont pu observer que même si les atomes devaient rester immobiles pendant l'imagerie, ils sautaient parfois vers un site de réseau proche. Le phénomène de tunneling quantique peut expliquer cela.

"Les atomes sautaient d'un site à un autre. C'était quelque chose de très beau à voir, car nous étions littéralement témoins d'une manifestation directe de leur comportement quantique inhérent", explique Buob.

Enfin, le groupe de recherche a utilisé son microscope à gaz quantique pour confirmer que le strontium gazeux était un superfluide, une phase quantique de la matière qui s'écoule sans viscosité.

"Nous avons soudainement éteint le laser à réseau, afin que les atomes puissent se dilater dans l'espace et interférer les uns avec les autres. Cela a généré un motif d'interférence dû à la dualité onde-particule des atomes dans le superfluide. Lorsque notre équipement l'a capturé, nous avons vérifié la présence de superfluidité dans l'échantillon", explique le Dr Rubio-Abadal.

"C'est un moment très excitant pour la simulation quantique", remarque le professeur Tarruell. "Maintenant que nous avons ajouté le strontium à la liste des microscopes à gaz quantique disponibles, nous pourrons peut-être bientôt simuler des matériaux plus complexes et plus exotiques. Ensuite, de nouvelles phases de la matière devraient apparaître. Et nous espérons également obtenir beaucoup plus de calculs. le pouvoir d'utiliser ces machines comme ordinateurs quantiques analogiques."