Les physiciens ont découvert une nouvelle forme étrange de comportement quantique dans lequel les particules s’organisent de manière à remettre en question les théories établies. Plus surprenant encore, les particules maintiennent un ordre caché remarquable bien qu’elles soient plongées dans un état extrêmement énergétique.
Dans une étude publiée dans Lettres d’examen physiqueDes chercheurs du groupe dirigé par Hanns-Christoph Nägerl, en collaboration avec le physicien théoricien Alvise Bastianello du CNRS et de l’Université Paris-Dauphine, décrivent comment concevoir un état quantique exotique connu sous le nom de « mer de Fermi fractionnée ».
Cette percée consiste à pousser les atomes de césium ultra-froids bien au-delà de leurs conditions normales en modifiant de manière répétée la force avec laquelle ils s’attirent ou se repoussent. Plutôt que de devenir simplement désordonnées, les particules se réorganisent selon une configuration inhabituelle qui se comporte différemment des systèmes quantiques traditionnellement étudiés par les scientifiques.
Les résultats théoriques constituent la base des récentes recherches expérimentales menées par l’équipe de Nägerl au Département de physique expérimentale.
Pousser les particules quantiques au-delà de leurs limites normales
Dans des conditions ordinaires, les particules quantiques suivent des règles bien établies qui déterminent la manière dont elles s’organisent, notamment à des températures extrêmement basses.
Un exemple important concerne les fermions, une catégorie de particules qui comprend des électrons. Ces particules ne peuvent pas toutes occuper le même état quantique, elles remplissent donc les niveaux d’énergie disponibles selon des restrictions spécifiques. À très basse température, cet arrangement produit ce que les physiciens appellent une mer de Fermi.
Mais que se passe-t-il lorsque les chercheurs perturbent délibérément les conditions qui régissent normalement le comportement des particules ?
Comme l’explique Alvise Bastianello : « Les fermions, par exemple, s’empilent parfaitement dans les états d’énergie disponibles pour former ce que l’on appelle la « mer de Fermi ». Mais que se passe-t-il si l’on force les atomes en interaction à parcourir continuellement des conditions extrêmes, les faisant passer progressivement de se repousser fortement à s’attirer fortement ?
Pour étudier cette possibilité, les chercheurs ont étudié des atomes de césium ultrafroids confinés dans un système unidimensionnel. Cela signifie que les atomes sont limités à se déplacer dans une seule direction, créant ainsi un environnement dans lequel leurs interactions quantiques peuvent être étudiées avec un contrôle exceptionnel.
L’équipe a examiné ce qui se passe lorsque les interactions entre ces atomes sont ajustées à plusieurs reprises, alternant entre une répulsion et une attraction puissantes.
Leurs calculs ont révélé quelque chose d’inattendu. En partant de l’état fondamental, la configuration énergétique la plus basse disponible pour le système, les atomes pourraient être poussés vers un état hautement excité sans perdre leur organisation sous-jacente.
Les chercheurs appellent cet arrangement inhabituel une mer de Fermi fractionnée car ses particules semblent obéir à une règle modifiée régissant la façon dont les états quantiques sont occupés.
“Au lieu de simplement chauffer le système, le cycle d’interaction réorganise les atomes dans un nouvel état à plusieurs corps”, explique Yi Zeng, l’auteur principal de cette étude. “Cela nous donne une manière contrôlée d’explorer la matière quantique au-delà des paradigmes d’équilibre habituels.”
Un nouvel état quantique étrange avec un ordre caché
L’une des caractéristiques les plus intrigantes de la mer de Fermi fractionnée est que ses particules restent organisées même si le système a été poussé loin de l’équilibre.
En physique, l’équilibre décrit une condition dans laquelle les propriétés globales d’un système se sont stabilisées dans un équilibre stable. Les systèmes éloignés de l’équilibre peuvent se comporter de manière complexe et inattendue, ce qui les rend particulièrement difficiles à comprendre.
Pourtant, la mer de Fermi fractionnée n’est pas simplement un ensemble de particules excitées se comportant de manière aléatoire. Au lieu de cela, il contient des modèles mathématiques distinctifs qui révèlent une structure plus profonde.
Parmi ces modèles figurent des ondulations prononcées appelées oscillations de Friedel. Il s’agit de variations ondulatoires associées à la manière dont les particules quantiques s’influencent mutuellement. Les chercheurs ont également identifié des modèles inhabituels dans la façon dont les corrélations entre les particules s’affaiblissent avec l’augmentation de la distance, même lorsque les interactions répulsives sont relativement faibles.
Ces signatures sont importantes car elles diffèrent des prédictions associées à la théorie des liquides de Tomonaga-Luttinger, un cadre établi de longue date pour décrire le comportement des particules quantiques en interaction dans les systèmes unidimensionnels.
Les résultats pointent donc vers un type de comportement quantique jusqu’alors inexploré qui ne peut être entièrement décrit à l’aide de cette image théorique familière.
“Cet état est très excitant, mais ce n’est pas dû au hasard”, explique Hanns-Christoph Nägerl, le chef du groupe. “Il a un ordre caché qui devient visible dans ses corrélations.”
Ce comportement étrange soulève également des questions sur les particules efficaces qui émergent au sein du système. Les physiciens appellent ces excitations collectives des quasiparticules car elles peuvent se comporter comme des particules individuelles même si elles résultent du mouvement coordonné de nombreuses particules en interaction.
Nägerl suggère que ces excitations inhabituelles pourraient éventuellement mériter un nom qui leur est propre.
“Nous ne savons pas encore comment nommer ces nouvelles quasiparticules. Peut-être des ‘super-Fermions’ ?”
Ouvrir une nouvelle frontière en physique quantique
La découverte suggère que les mers de Fermi fractionnées représentent une phase critique exotique de la matière quantique, avec des modèles caractéristiques de corrélations de particules qui s’étendent au-delà des descriptions existantes des systèmes quantiques unidimensionnels.
Cela démontre également la puissance croissante de la simulation quantique, une technique qui permet aux scientifiques d’utiliser des systèmes quantiques soigneusement contrôlés pour étudier un comportement physique qui serait autrement difficile à reproduire ou à étudier.
Les atomes ultra-froids sont particulièrement utiles à cette fin, car les chercheurs peuvent ajuster avec précision leurs interactions et observer l’évolution des états quantiques qui en résultent.
Plutôt que de limiter ces expériences à recréer des phénomènes déjà compris grâce à des théories établies, les scientifiques peuvent désormais explorer des états délibérément conçus qui révèlent des possibilités entièrement nouvelles.
Comme le dit Hanns-Christoph Nägerl : « La découverte des mers de Fermi fractionnaires montre jusqu’où nous pouvons pousser la simulation quantique : non seulement en reproduisant des modèles connus, mais en créant et en sondant des états qui vont au-delà des paradigmes établis. »
La publication actuelle établit le cadre théorique des mers de Fermi fractionnaires. Une étude complémentaire décrivant leur réalisation expérimentale par simulation quantique est en cours d’examen par les pairs.
Ensemble, ces recherches ouvrent la voie à de nouvelles façons d’étudier le comportement fondamental de la matière quantique, notamment les excitations collectives inhabituelles et les formes d’ordre cachées qui n’apparaissent que lorsque les particules sont poussées bien en dehors de leurs conditions normales.
