Combat à trois dans le monde quantique

Lorsque l'on chauffe lentement de l'eau dans une casserole jusqu'à l'ébullition, un passionnant duel d'énergies se déroule dans le liquide. D'une part, il y a l'énergie d'interaction qui cherche à maintenir les molécules d'eau ensemble en raison de leur attraction mutuelle ; d'autre part, l'énergie cinétique, qui ne cesse d'augmenter en raison du chauffage, tente de séparer les molécules les unes des autres. Au-dessous du point d'ébullition, l'énergie d'interaction prend le dessus, mais dès que l'énergie de mouvement gagne, l'eau bout et se transforme en vapeur d'eau. Ce processus est également appelé transition de phase. L'interaction ne concerne alors que les molécules d'eau qui se trouvent à proximité immédiate les unes des autres.

Des chercheurs dirigés par Tilman Esslinger, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, et Tobias Donner, scientifique dans son groupe, ont maintenant montré comment faire en sorte que les particules se "sentent" les unes les autres, même à de plus grandes distances. En ajoutant de telles interactions à longue portée, les physiciens ont pu observer des transitions de phase inédites, résultant de triples luttes énergétiques.

Mondes quantiques artificiels

Les expériences des physiciens zurichois ne se déroulent certes pas dans une casserole, mais dans un "simulateur quantique", un monde quantique créé artificiellement. Pour ce faire, les chercheurs refroidissent un minuscule nuage d'atomes de rubidium à des températures juste au-dessus du zéro absolu, puis le capturent dans un réseau de rayons laser semblable à un cristal. L'énergie d'interaction repose sur les collisions entre les atomes qui se déplacent entre les emplacements du réseau. L'énergie cinétique des atomes peut à son tour être contrôlée par l'intensité des faisceaux laser, qui détermine le degré de mobilité des atomes à l'intérieur du réseau.

Pour finalement provoquer une interaction entre des atomes très éloignés, Renate Landig, doctorante dans le groupe de travail d'Esslinger, et ses collègues utilisent une astuce technique. A l'aide de deux miroirs hautement réfléchissants, ils ont construit un résonateur qui fait en sorte que les particules de lumière déviées par l'un des atomes traversent plusieurs fois le nuage de rubidium. Ainsi, tôt ou tard, tous les atomes du nuage entrent en contact avec le photon dévié. Ils "sentent" ainsi la présence de l'atome d'origine, celui qui a dévié le photon en premier. Cette détection à distance équivaut à une interaction effective de longue portée. L'intensité de l'interaction entre les atomes peut en outre être contrôlée avec précision au moyen de la fréquence des rayons laser.

"Grâce à cette astuce, nous avons maintenant trois échelles d'énergie en concurrence dans notre système : en plus de l'énergie de mouvement et de l'énergie d'interaction, nous avons également l'énergie d'interaction à longue portée", explique Landig. "En modifiant l'énergie de mouvement et l'énergie d'interaction à longue portée, nous pouvons étudier différentes transitions de phase quantiques inédites".

Transitions de phase de premier ordre

Certaines des transitions de phase possibles étaient déjà connues des chercheurs. Par exemple, si l'interaction à longue portée est très faible et que l'énergie cinétique est progressivement augmentée, l'état d'agrégation du nuage de rubidium passe d'un isolateur de Mott, dans lequel un atome est immobile sur chaque emplacement de la grille, à un superfluide dans lequel les atomes sont totalement libres de se déplacer.

En revanche, si les chercheurs augmentent l'énergie de l'interaction à longue portée, il se passe quelque chose de complètement différent : à une certaine intensité de cette interaction, les atomes s'organisent spontanément en damier, avec à chaque fois un emplacement de grille vide entre deux atomes. "Ce qui est particulier, c'est que cette transition de phase, semblable à celle de l'eau à la vapeur d'eau, est une transition de premier ordre", souligne Donner. Lors de telles transitions de phase, une certaine propriété d'une substance change brusquement, alors que lors des transitions de deuxième ordre, telles qu'elles ont été démontrées jusqu'à présent dans les systèmes quantiques artificiels, le changement est graduel.

Suprasolidarité démontrée

Les physiciens ont réussi à provoquer une autre transition de phase inhabituelle en faisant en sorte que l'énergie cinétique et l'interaction à longue portée soient toutes deux très importantes. Dans ce cas, un motif en damier s'est à nouveau formé dans le réseau, mais cette fois-ci, il y avait une cohérence de phase entre les atomes, c'est-à-dire que leurs fonctions d'onde de la mécanique quantique étaient synchronisées. Une telle cohérence n'est normalement observée que lorsque les atomes peuvent se déplacer relativement librement, comme c'est le cas dans l'état suprafluide. En revanche, l'existence simultanée d'un damier et d'une cohérence de phase indique qu'il s'agit d'une phase suprasolide. L'état hermaphrodite de la supra-solidité a été prédit théoriquement il y a cinquante ans déjà, mais il s'est avéré difficile jusqu'à présent de le démontrer de manière indubitable.

À l'avenir, Esslinger et ses collaborateurs étudieront plus en détail de tels effets et d'autres effets exotiques dans leur simulateur quantique. L'objectif des chercheurs est d'obtenir une vue d'ensemble des phénomènes quantiques dans des systèmes de plus en plus complexes. Ce processus va de pair avec le développement et l'étude de matériaux aux propriétés particulières.

Les recherches ont été menées dans le cadre de page externeTherMiQ, un projet de recherche européen qui étudie la thermodynamique des systèmes quantiques mésoscopiques ouverts.