Les physiciens utilisent des concepts classiques pour déchiffrer d’étranges comportements quantiques dans un gaz ultra-froid – Technoguide

Ils étaient là, dans toute leur étrange gloire quantique: des atomes de lithium ultra-froids dans le piège optique exploité par Alec Cao, étudiant de premier cycle à l’UC Santa Barbara et ses collègues du groupe de physique atomique de David Weld. Tenus par des lasers dans une formation régulière en treillis et «entraînés» par des impulsions d’énergie, ces atomes faisaient des choses folles.

“C’était un peu bizarre”, a déclaré Weld. “Les atomes étaient pompés dans une direction. Parfois, ils étaient pompés dans une autre direction. Parfois, ils se déchiraient et fabriquaient ces structures qui ressemblaient à de l’ADN.”

Ces comportements nouveaux et inattendus sont le résultat d’une expérience menée par Cao, Weld et ses collègues pour repousser les limites de notre connaissance du monde quantique. Les résultats? De nouvelles directions dans le domaine de l’ingénierie quantique dynamique, et une voie alléchante vers un lien entre physique classique et quantique.

Leurs recherches sont publiées dans la revue Physical Review Research.

“Beaucoup de choses amusantes se produisent lorsque vous secouez un système quantique”, a déclaré Weld, dont le laboratoire crée des “solides artificiels” – des réseaux de faible dimension d’atomes légers et ultra-froids – pour simuler le comportement de particules de mécanique quantique de manière plus dense vrais solides lorsqu’ils sont soumis à des forces motrices. Les expériences récentes étaient les dernières d’une ligne de raisonnement qui remonte à 1929, lorsque le physicien et lauréat du prix Nobel Felix Bloch a prédit pour la première fois que dans les limites d’une structure quantique périodique, une particule quantique sous une force constante oscillera.

“Ils font des va-et-vient, ce qui est une conséquence de la nature ondulatoire de la matière”, a déclaré Weld. Bien que ces oscillations de Bloch dans l’espace de position aient été prédites il y a près d’un siècle, elles n’ont été observées directement que relativement récemment; en fait, le groupe de Weld a été le premier à les voir en 2018, avec une méthode qui a rendu ces sloshings souvent rapides et infinitésimaux grands et lents, et faciles à voir.

Il y a dix ans, d’autres expériences ont ajouté une dépendance temporelle au système oscillant de Bloch en le soumettant à une force périodique supplémentaire et ont trouvé une activité encore plus intense. Des oscillations au-dessus des oscillations – oscillations super Bloch – ont été découvertes.

Pour cette étude, les chercheurs ont poussé le système encore plus loin, en modifiant l’espace dans lequel ces atomes interagissent.

«Nous changeons en fait le réseau», a déclaré Weld, en faisant varier les intensités laser et les forces magnétiques externes qui non seulement ajoutaient une dépendance temporelle, mais également courbaient le réseau, créant un champ de force inhomogène. Leur méthode de création de grandes oscillations lentes, a-t-il ajouté, “nous a donné l’occasion de regarder ce qui se passe lorsque vous avez un système oscillant Bloch dans un environnement non homogène.”

C’est là que les choses sont devenues bizarres. Les atomes tournaient dans les deux sens, parfois se dispersant, d’autres fois créant des motifs en réponse aux impulsions d’énergie poussant sur le réseau de diverses manières.

“Nous pourrions suivre leurs progrès avec les chiffres si nous y travaillions dur”, a déclaré Weld. “Mais c’était un peu difficile de comprendre pourquoi ils font une chose et pas l’autre.”

C’est la perspicacité de Cao, l’auteur principal de l’article, qui a conduit à un moyen de déchiffrer le comportement étrange.

«Lorsque nous avons étudié la dynamique pour tous les temps à la fois, nous avons juste vu un désordre parce qu’il n’y avait pas de symétrie sous-jacente, ce qui rend la physique difficile à interpréter», a déclaré Cao, qui entame sa quatrième année au College of Creative Studies de l’UCSB.

Pour dégager la symétrie, les chercheurs ont simplifié ce comportement apparemment chaotique en éliminant une dimension (dans ce cas, le temps) en utilisant une technique mathématique initialement développée pour observer la dynamique non linéaire classique appelée section de Poincaré.

“Dans notre expérience, un intervalle de temps est défini par la façon dont nous modifions périodiquement le réseau dans le temps”, a déclaré Cao. «Quand nous avons jeté tous les moments« entre les deux »et regardé le comportement une fois par période, la structure et la beauté ont émergé dans les formes des trajectoires parce que nous respections correctement la symétrie du système physique. L’observation du système uniquement à des périodes basées sur cet intervalle de temps a donné quelque chose comme une représentation en stop-motion des mouvements compliqués mais cycliques de ces atomes.

“Ce qu’Alec pensait, c’est que ces chemins – ces orbites de Poincaré – nous disent exactement pourquoi dans certains régimes d’entraînement les atomes sont pompés, alors que dans d’autres régimes d’entraînement, les atomes se dispersent et interrompent la fonction d’onde”, a ajouté Weld. Une direction que les chercheurs pourraient prendre à partir de là, a-t-il dit, est d’utiliser ces connaissances pour concevoir des systèmes quantiques afin d’avoir de nouveaux comportements grâce à la conduite, avec des applications dans des domaines en plein essor tels que l’informatique quantique topologique.

“Mais une autre direction que nous pouvons prendre est de voir si nous pouvons étudier l’émergence du chaos quantique alors que nous commençons à faire des choses comme ajouter des interactions à un système piloté comme celui-ci”, a déclaré Weld.

Ce n’est pas une mince affaire. Les physiciens tentent depuis des décennies de trouver des liens entre la physique classique et la physique quantique – une mathématique commune qui pourrait expliquer des concepts dans un domaine qui semblent n’avoir aucun analogue dans l’autre, comme le chaos classique, le langage pour lequel n’existe pas en quantique mécanique.

“Vous avez probablement entendu parler de l’effet papillon – un papillon battant des ailes dans les Caraïbes peut provoquer un typhon quelque part dans le monde”, a déclaré Weld. «C’est en fait une caractéristique des systèmes chaotiques classiques, qui ont une dépendance sensible aux conditions initiales. Cette caractéristique est en fait très difficile à reproduire dans les systèmes quantiques – il est déroutant de trouver la même explication dans les systèmes quantiques. Donc, c’est peut-être une petit morceau de ce corpus de recherche. “

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