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Une boîte optique pour piéger et étudier les gaz quantiques

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C'est un progrès important pour la physique de l'état solide. Deux équipes indépendantes viennent de publier presque simultanément, dans la même revue, des résultats sur le comportement d'un mélange de bosons et de fermions au sein d'un cristal virtuel composé d'une matrice optique en 3D. Un fantastique laboratoire pour modéliser la matière.

A gauche, une représentation de réseau optique simulant un cristal dans lequel on piège des bosons « purs » (en haut, de couleur rouge) et des bosons avec « impuretés », des fermions (en bas, de couleur bleue). A droite, lorsque l'on supprime le réseau op

La matière est constituée d'atomes, eux-mêmes répartis en fermions et bosons caractérisés par leur moment de spin. A une température proche du zéro absolu, les deux adoptent un comportement vraiment différent : les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli, et ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique ; les bosons n'ont pas cette contrainte et peuvent à très basse température se trouver dans le même état quantique, formant ainsi un gaz quantique parfait dans un phénomène appelé condensation de Bose-Einstein. La production d'atomes froids, à partir de 1995, a permis la mise en évidence de ce phénomène. La notion de gaz de fermions existe également.

L'intérêt de ces expériences réside dans la compréhension des phénomènes qui régissent la matière. Depuis 1995, les phénomènes quantiques ont pu être étudiés largement grâce à ces gaz quantiques. Des expérimentations consistant à piéger un gaz quantique dans un cristal « optique » constitué de façon artificielle à l'aide d'interférences entre des faisceaux laser, permettent de mieux contrôler les phénomènes et donc de les étudier plus finement. De telles « boîtes » optiques à une, puis trois dimensions, ont déjà permis de travailler sur la matière composée d'une seule espèce d'atomes. Le temps est venu de passer aux gaz quantiques « impurs » en mélangeant fermions et bosons.

Piéger un mélange de rubidium et de potassium

Première expérience (1) : l'Institut für Laserphysik de Hambourg a mélangé des atomes de rubidium 87 (87Rb), qui sont des fermions, et des atomes de potassium 40 (40K), des bosons. L'ensemble est porté à une température de quelques centaines de nanokelvins, placé dans un maillage optique, puis libéré brusquement afin de voir le comportement des bosons et des fermions lorsque le réseau optique est désactivé. Alors que théoriquement les bosons devraient se rassembler pour constituer un isolateur Mott (non conducteur sauf dans certaines conditions), la présence de fermions, qui ne modifie pas la localisation des bosons, influence toutefois cette dernière en créant un décalage (voir Fig.1), et fait du gaz quantique un équivalent aux supraconducteurs à basse température. L'analogie est frappante : le réseau d'interférences laser joue le rôle du cristal, et les fermions se comportent comme des électrons responsables du courant.

Seconde expérience (2) , l'ETH en Suisse (Eidgenössische Technische Hochschule), à Zürich, a réalisé une performance similaire mais avec une méthode de refroidissement des atomes de potassium différente.

Bien que les dispositifs expérimentaux soient proches, les deux équipes divergent dans l'interprétation des résultats : pour les Allemands, il s'agit d'étudier le couplage entre fermions et bosons, alors que les Suisses s'intéressent au changement de comportement des bosons en présence de fermions. Dans les deux cas, une chose est sûre : « la présence d'impuretés est importante pour comprendre le comportement de la matière condensée », explique l'équipe de Hambourg. De telles expérimentations ouvrent de nouveaux champs grâce à ce laboratoire optique d'un nouveau genre. Et les conséquences peuvent largement déborder sur d'autres domaines, comme les systèmes biologiques.

1- Phys. Rev. Lett. 96 180403. Localization of Bosonic Atoms by Fermionic Impurities in a Three-Dimensional Optical Lattice, Institut für Laserphysic, Hamburg, Germany
2- Phys. Rev. Lett. 96 180402. Bose-Fermi Mixtures in a Three-Dimensional Optical Lattice, Institute of Quantum Electronics, ETH Zürich

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