Un laser qui fait de l'effet aux atomes

En collaboration avec une équipe internationale, les chercheurs de l'Irig expliquent l'origine microscopique de l'effet Hall, en modifiant la trajectoire quantique des atomes à l'aide de la lumière laser dans un simulateur quantique. Dans les systèmes purement classiques, l'effet Hall est à la base de techniques de mesure des champs magnétiques de nos appareils domestiques, par exemple le téléphone portable.


Pour comprendre les principes fondamentaux de l'effet Hall, une équipe internationale, avec la collaboration des chercheurs de l'Irig, est parvenue à courber le trajet des atomes par effet Hall à l'aide d'une lumière laser. Plus classiquement, l'effet Hall dévie les charges électriques dans les conducteurs, ce qui permet de l'utiliser comme technique de caractérisation des matériaux et pour mesurer les champs magnétiques de nos appareils domestiques, par exemple le téléphone portable.

Depuis 40 ans le comportement des particules soumises à un champ magnétique, lorsque leurs interactions deviennent fortes, reste un mystère. De récents travaux théoriques, menés au sein des équipes de l'Irig et de l'Université de Genève, ont pu prédire un comportement remarquable de ces systèmes.

À présent, l'équipe expérimentale de l'Université de Florence, en collaboration avec des théoriciens de l'Irig, du CNRS et de l'Université de Genève, a utilisé un simulateur quantique, un ordinateur quantique "dédié" à une tâche précise, pour confirmer expérimentalement cette théorie. Elle a étudié en temps réel comment un jet d'atomes se courbe sous l'effet d'un champ magnétique, ce qui n'avait jamais encore été observé: refroidis à l'extrême jusque quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu, les atomes neutres, se comportent comme des électrons. Ainsi, en irradiant les atomes sous une lumière laser, les chercheurs ont décrit précisément comment leur trajectoire se courbe en présence d'un champ magnétique "artificiel", comme le feraient des particules chargées (voir Photo 1).

Confirmant les prédictions théoriques pour la première fois, l'effet Hall a été mesuré en faisant varier les interactions entre les particules (voir Figure 2).


Ces résultats prometteurs permettraient enfin d'élucider l'origine microscopique de la quantification de l'effet Hall, et qui, 40 ans après sa découverte, reste en quête d'une interprétation théorique complète.

Ces recherches se poursuivront dans le cadre des initiatives du Plan National de Relance et de Résilience PNRR consacrées au développement des nouvelles technologies quantiques.

Références

Observation of universal Hall response in strongly interacting Fermions.
Zhou T-W, Cappellini G, Tusi D, Franchi L, Parravicini J, Repellin C, Greschner S, Inguscio M, Giamarchi T, Filippone M, Catani J and Fallani L
Science 2023.