Une puce à atomes froids pour valider une nouvelle théorie des fluides quantiques
Publié par Redbran le 02/10/2019 à 14:00
Source: CNRS INP
La description des systèmes quantiques à grand nombre de particules est un défi théorique et numérique. Une nouvelle théorie s'appliquant dans le cas unidimensionnel et généralisant une approche hydrodynamique vient d'être confirmée expérimentalement à l'aide d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) de rubidium piégés sur une puce.


(a) Photographie de la puce électronique utilisée pour créer le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) qui piège les atomes de rubidium et donne au nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature,...) d'atomes une forme quasi-unidimensionnelle. Les fils électriques d'amenée des courants sont visibles. La puce est placée à l'intérieur d'une chambre sous un ultravide à 10-9 Pa (non visible sur l'image).

(b) Profils de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) du nuage atomique après expansion à partir d'un potentiel double-puit en une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) (lignes bruitées) et comparaison avec la nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) hydrodynamique généralisée (lignes lisses). Le nuage a initialement deux pics de densité aux deux minima du potentiel, puis ces deux pics s'étalent. La région entre les deux pics est alors occupée par des atomes provenant de chacun des deux pics, qui se déplacent à des vitesses très différentes de la vitesse (On distingue :) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...). Une telle situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général...) ne peut pas être décrite par la théorie hydrodynamique conventionnelle qui prévoit l'équilibration de ces atomes et la formation d'une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors...), qui n'est pas observée expérimentalement.

Pour modéliser la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) d'un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules, il faut le plus souvent renoncer à la description microscopique du mouvement de chaque particule. C'est le cas des fluides classiques qui sont modélisés de façon statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) en hydrodynamique à l'aide de grandeurs comme la densité, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) ou la vitesse, dont les valeurs sont moyennées localement grâce aux interactions entre les particules. À l'équilibre, on admet généralement que les valeurs moyennées dans l'espace sont égales aux valeurs moyennées dans sur des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) longs. C'est l'hypothèse ergodique. La description des systèmes quantiques à grand nombre de particules quant à elle est un défi posé aux théoriciens depuis plus de cinquante ans. Seuls des cas particuliers comme celui d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de bosons à une dimension pouvant être résolus exactement. Récemment, une nouvelle théorie appelée hydrodynamique généralisée a été. Elle concilie une description statistique et le non-respect de l'hypothèse ergodique qui caractérise ce gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) de bosons à une dimension. Dans ce travail, des physiciens du Laboratoire Charles Fabry (Charles Fabry (1867-1945) est un physicien français.) (CNRS/IOGS) en collaboration avec des théoriciens du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage...) théorique (CNRS/Univ. Lorraine) et du King's College de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans...) viennent d'apporter la première preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) de la validité de cette nouvelle théorie. En utilisant un gaz de plusieurs milliers d'atomes de rubidium piégés à très basse température et en étudiant l'évolution d'une configuration initialement perturbée de ces atomes, les chercheurs ont mesuré un comportement s'écartant d'une évolution hydrodynamique et en plein accord avec l'hydrodynamique généralisée. Fort de cette vérification, d'autres systèmes quantiques plus complexes ou d'autres régimes d'interactions pourraient être étudiés expérimentalement et confrontés à la théorie.

Dans cette expérience, les atomes de rubidium (87Rb) refroidis sont piégés magnétiquement sur une puce et guidés le long d'une direction définie à l'aide de courants radiofréquences circulant dans des microfils électriques (figure a). Seuls les atomes les plus froids restent piégés et le nuage atomique atteint des températures inférieures au microkelvin. Des courants continus additionnels permettent de moduler le potentiel auquel sont soumis les atomes dans la direction du mouvement tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en gardant un confinement fort dans le plan perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et...). Les interactions entre atomes sont répulsives, avec une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) de corrélation des mouvements atomiques de l'ordre du dixième de micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.), alors que la longueur du piège est de l'ordre du millimètre. Le profil de la densité du nuage le long de la direction du mouvement est mesuré par imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se...) de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...) d'un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) par les atomes. Les mesures consistent à suivre l'évolution d'un nuage initialement en équilibre dans le potentiel fixé par les courants lorsque l'on coupe ce potentiel. Dans ce travail, les chercheurs ont réussi à contrôler finement et précisément les différents courants de façon à jouer avec différentes configurations de potentiel. Dans le cas où le potentiel est harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants...) et où le nuage présente un maximum de densité, l'évolution du nuage est semblable en hydrodynamique conventionnelle et en hydrodynamique généralisée. Par contre dans le cas où le puits de potentiel est double et où le nuage présente deux maximas de densité, l'évolution du nuage suit la prédiction de l'hydrodynamique généralisée, qui s'écarte de celle de l'hydrodynamique conventionnelle (figure b). Cet écart peut se comprendre qualitativement par exemple par le fait que, au milieu des deux pics de densité, il y a coexistence d'atomes venant de la droite et de la gauche avec des vitesses opposées et correspondant donc à une distribution hors-équilibre qui n'est pas prise en compte par l'hydrodynamique conventionnelle.

Notes:
(O. A. Castro-Alvaredo, B. Doyon, T. Yoshimura, Phys. Rev. X 6, 041065 (2016) and B. Bertini, M. Collura, J. De Nardis, M. Fagotti, Phys. Rev. ) Lett. 117, 207201 (2016).


Référence:
Generalized Hydrodynamics on an Atom Chip. M. Schemmer, I. Bouchoule, B. Doyon et J. Dubail, Physical Review Letters 122, 090601, 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.090601.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes ArXiv et HAL.

Contact chercheur:
- Jérôme Dubail - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Laboratoire de physique et chimie théoriques (LPCT)
jerome.dubail at univ-lorraine.fr
Page générée en 0.224 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique