Des physiciens créent une mer de Fermi fractionnaire dans des atomes ultrafroids

Pousser les atomes ultrafroids hors d'équilibre

Dans des conditions standard proches du zéro absolu, les particules quantiques occupent des états d'énergie discrets selon des configurations prévisibles, comme la mer de Fermi observée chez les électrons et autres fermions. Selon un rapport de ScienceDaily, les chercheurs ont étudié ce qui se produit lorsque ces conditions stables sont volontairement perturbées, dans le cadre d'une innovation déterminante pour la manipulation des états quantiques.

Pour tester cela, l'équipe de recherche a confiné des atomes de césium ultrafroids dans un système unidimensionnel, limitant leur mouvement le long d'un seul axe afin d'obtenir un contrôle précis des interactions. Le physicien théoricien Alvise Bastianello, du CNRS et de l'université Paris-Dauphine, a modélisé l'effet d'un cycle continu faisant passer les atomes d'une forte répulsion mutuelle à une forte attraction mutuelle. Comme l'a noté l'auteur principal Yi Zeng dans l'étude, ce cyclage a conduit les atomes de leur état fondamental de plus basse énergie vers une configuration excitée sans provoquer d'échauffement thermique chaotique, établissant un état à N corps structuré.

« Cet état est fortement excité, mais il n'est pas aléatoire. Il possède un ordre caché qui devient visible dans ses corrélations. »

— Hanns-Christoph Nägerl, université d'Innsbruck

Motifs mathématiques et oscillations de Friedel

L'arrangement obtenu, désigné mer de Fermi fractionnaire, s'écarte du comportement hors d'équilibre typique en conservant une organisation interne distincte. Comme le détaille ScienceDaily, la configuration présente des ondulations de densité caractéristiques, connues sous le nom d'oscillations de Friedel, qui traduisent la manière dont les particules quantiques s'influencent mutuellement.

Les chercheurs ont également détecté des décroissances anormales des corrélations entre particules sur de longues distances, même lorsque les forces répulsives restaient relativement faibles. Ces signatures mathématiques spécifiques divergent des prédictions fondées sur la théorie du liquide de Tomonaga-Luttinger, le cadre établi pour décrire les particules quantiques en interaction à une dimension, ce qui montre que l'état fonctionne hors des modèles d'équilibre traditionnels.

Quasiparticules émergentes et questions théoriques

La découverte fournit une base théorique et expérimentale aux travaux du département de physique expérimentale de l'université d'Innsbruck, dirigé par le chef de groupe Hanns-Christoph Nägerl. La recherche met en évidence la manière dont le comportement coordonné des particules produit des excitations collectives, appelées quasiparticules en physique, qui agissent comme des entités individuelles au sein du système.

Comme le comportement observé ne peut être entièrement expliqué par les modèles unidimensionnels existants, les chercheurs évaluent comment classer ces phénomènes collectifs. Comme le rapporte ScienceDaily, Nägerl a noté que ces excitations inhabituelles pourraient représenter une classe distincte d'entités, suggérant provisoirement le terme de super-fermions à mesure que se poursuit la recherche sur ces états hors d'équilibre, offrant de nouvelles perspectives susceptibles d'inspirer de futures inventions dans les technologies quantiques avancées.

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