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L'effet Hanbury Brown-Twiss marche des étoiles jusqu'aux atomes froids !

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En 1956, Robert Hanbury Brown et Richard Twiss avaient proposé une technique d'interférométrie pour mesurer le diamètre des étoiles à l'aide d'un effet qui porte maintenant leurs noms. Une équipe franco-hollandaise vient de montrer que ce même effet fonctionne, en accord avec les lois de la mécanique quantique, avec des atomes d'hélium ultra-froids. Elle a vérifié qu'il y a avait bien un effet de «groupement» avec des atomes d'hélium bosoniques et un effet de «dégroupement» avec des atomes d'hélium fermioniques.

Détecteur utilisé pour observer l'effet HBT avec des fermions et des bosons dans un condensat d'Hélium de BE.
Schéma de l'expérience avec détecteur et piège utilisés pour observer l'effet HBT avec des fermions et des bosons dans un condensat d'Hélium de BE.

Michelson avait été un des premiers à proposer de mesurer le diamètre des étoiles en utilisant un interféromètre. La technique avait été appliquée avec des ondes radios mais, en 1956, il n'était pas sûr qu'elle puisse marcher avec des photons issus d'astres lointains. Robert Hanbury Brown et Richard Twiss, contre l'opinion de la communauté scientifique, montrèrent cependant qu'il en était bien ainsi et que l'on pouvait faire de l'interférométrie d'intensité avec deux détecteurs. En raison de la nature quantique, et précisément bosonique des photons, ceux-ci devaient exhiber une tendance à se rassembler en paquets pour former des figures d'interférences malgré le caractère chaotique de la source astronomique les émettant. Les observations et les analyses théoriques brillantes de Hanbury Brown et Twiss finirent par convaincre la communauté scientifique, et l'effet HBT fait maintenant partie de la physique standard.

Or, l'universalité des lois de la mécanique quantique implique que cet effet doit se retrouver dans d'autres configurations analogues avec des bosons. Cela découle précisément des règles de calculs sur les amplitudes de probabilités et de leurs interférences.

La première observation de l'effet Hanbury Brown-Twiss, avec un gaz d'atomes ultra-froids, a été faite par des chercheurs de l'université de Tokyo en 1996 en utilisant des atomes de néon. Malheureusement, l'équipe ne pouvait pas étudier l'effet en détail. Maintenant, Chris Westbrook et ses collègues des Universités Paris-Sud et Minho ont développé un détecteur qui peut identifier l'arrivée des atomes d'hélium ultra-froids sur une échelle de temps de quelques nanosecondes et des distances de moins de 200 microns. Ceci permet de détecter toutes les corrélations atomiques faibles entre les atomes qui pourraient être présentes.

Des détecteurs similaires, et employant l'effet Hanbury Brown-Twiss, sont employés pour étudier des collisions atomiques, ioniques et même nucléaires depuis longtemps. On les a donc appliqué récemment pour l'étude des condensats de Bose-Einstein. D'abord produit en 1995, un condensat de Bose-Einstein (BEC) est une collection d'atomes qui a été refroidie à des températures tellement basses que tous ses atomes s'effondrent dans le même état quantique fondamental. La plupart des BECs ont été obtenus avec des atomes d'alcalins tels que le sodium et le rubidium, mais il s'avère plus facile de compter les atomes un a un pour mesurer l'effet HBT avec des atomes d'hélium excités et métastables.

Ici, un BEC était formé au-dessus du détecteur puis on laissait tomber sur lui les atomes un à un. Les mesures précises ont alors correctement montré que l'effet de «groupement» attendu avec des bosons se manifestait. Maintenant, que se produirait-il avec des fermions, qui eux ne peuvent pas accepter de se mettre dans un même état quantique en raison du principe d'exclusion de Pauli ?

La réponse ne faisait pas de doute depuis longtemps, un effet de «dégroupement» devait se manifester, comme si une nouvelle force de la nature existait obligeant les fermions à se repousser. D'ailleurs, un effet HBT avec des électrons avait déjà été observé.

Ce sont donc les résultats des expériences comparées avec deux isotopes d'hélium excités, et donc métastables, correspondant soit à un fermion, soit à un boson, qui viennent d'être publié dans Nature récemment. Bien entendu, l'effet HBT fermionique avec répulsion des fermions était bien au rendez-vous !

En plus de montrer une fois de plus la solidité de la mécanique quantique, ceux-ci devraient ouvrir de nouvelles portes pour la compréhension des BEC.

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