Une équipe de recherche internationale d'Innsbruck et de Genève a développé une nouvelle méthode de thermométrie pour mesurer les températures des gaz quantiques de basse dimension. Avec cette méthode, il a été constaté que la compression d’un gaz pouvait entraîner un refroidissement. Les résultats sur ce phénomène contre-intuitif viennent d'être publiés dans Science Advances .

L'expérience quotidienne nous apprend que la compression chauffe et la dilatation refroidit. Quiconque a gonflé un pneu de vélo le sait. Entrez dans la physique quantique. Dans le monde quantique, des règles particulières s’appliquent. Les particules appelées bosons peuvent se condenser ensemble et devenir superfluides. Les fermions présentent le principe d'exclusion de Pauli et s'éviteront.

En dimensions réduites, la situation devient plus délicate. Le rôle des fluctuations quantiques est renforcé et les bosons peuvent se fermioniser lorsque les interactions inter-particules sont très fortes.

Dans cette perspective, les systèmes quantiques à dimensionnalité réduite sont devenus un domaine de recherche riche. Ils sont utilisés comme plateforme de simulation quantique. En particulier, les fils quantiques unidimensionnels (1D) ont attiré une grande attention en raison de la miniaturisation continue des circuits électroniques.

La plate-forme expérimentale d'atomes froids confinés à des potentiels lumineux serrés est utilisée pour réaliser de tels fils quantiques et pour simuler de manière quantique les propriétés des électrons sous fort confinement.

Dans un travail expérimental et théorique conjoint, réalisé à Innsbruck au Département de physique expérimentale et au Département de physique de la matière quantique de l'Université de Genève, il a été découvert qu'un système quantique à N corps en interaction forte peut subir un refroidissement lorsque la dimensionnalité est réduite. Un "pneu quantique" pourrait ainsi refroidir lorsqu'il est gonflé.

Cet effet est contraire aux attentes et, en fait, il n’a pas été proposé ou prévu dans la littérature. L'observation est devenue possible grâce au développement d'une méthode de thermométrie qui combine expérience et théorie et qui fonctionne particulièrement bien dans le cas d'interactions fortes.

"Nous sommes capables de mesurer les températures en 1D avec une sensibilité d'un nano-Kelvin", explique Yanliang Guo, l'un des deux principaux auteurs de cette étude. "Nous constatons que la température monte d'abord de 12,5 nK à 17 nK lorsque nous compressons de la 3D à la 2D, puis chute à 9 nK lorsque nous compressons davantage en 1D."

Le refroidissement se produit en raison de l'interaction du fort confinement latéral en 1D et des fortes interactions dans le régime où les bosons se fermionisent. Dans l'expérience, l'équipe a vérifié que de fortes interactions en 1D sont une condition nécessaire au refroidissement.

"Un changement de 12,5 à 9 nK ne semble pas être grand-chose", déclare Hanns-Christoph Nägerl, l'un des chefs d'équipe. "Mais depuis les premiers résultats publiés dans ce travail conjoint, nous nous sommes considérablement améliorés et avons observé des températures descendant jusqu'à 2 nK avec une sensibilité de 1 nK."

L’équipe s’attend à ce que ces résultats suscitent beaucoup d’intérêt au sein de la communauté scientifique. Les systèmes quantiques à N corps de faible dimension et fortement corrélés présentent une grande variété d'effets quantiques authentiques, et leur enquête pourrait mettre en lumière de nombreuses énigmes en physique, celle de la supraconductivité à haute température étant la plus importante, avec des conséquences de grande envergure. si le problème était résolu.

En particulier, les systèmes à faible densité d'atomes ultrafroids sont désormais largement utilisés comme plate-forme de simulation quantique, et une série de résultats très intéressants ont récemment été obtenus pour des systèmes en 1D (par exemple sur la préthermalisation, la fermionisation dynamique, le flux de chaleur anormal, le spin). -séparation des charges).

"La température joue un rôle crucial pour tous les systèmes quantiques et, par conséquent, être capable de mesurer la température est de la plus haute importance", explique Hepeng Yao, le théoricien principal de cette étude. "Cependant, jusqu'à présent, cela n'a pas été fait pour les systèmes quantiques à N corps 1D et 2D isolés et fortement corrélés."

Thierry Giamarchi, chef d'équipe de Genève, déclare :« D'un point de vue conceptuel, nous trouvons très intéressant que les températures puissent baisser à mesure que le degré de confinement augmente. Ceci est contraire à l'intuition commune et montre les effets subtils qui peuvent se produire dans le climat. monde quantique."

Plus d'informations : Yanliang Guo et al, Refroidissement anormal des bosons par réduction dimensionnelle, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adk6870

Fourni par l'Université d'Innsbruck