Le piégeage des atomes ultracold avec la lumière laser a permis aux chercheurs de s'agrandir puis d'imaginer les fonctions d'onde des atomes qui étaient auparavant trop proches les unes des autres pour ressembler à autre chose que un blob
La fonction d'onde d'un atome peut se développer sans changer de forme
Les atomes extrêmement froids ont été poussés à auto-magnifiants leurs états quantiques afin qu'ils puissent être imagés dans des détails sans précédent. Cela pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre ce que font les particules quantiques dans les matériaux étranges comme les supraconducteurs et les superfluides.
Il est généralement très difficile d'imaginer les états quantiques des atomes – c'est-à-dire de cartographier les formes de leurs fonctions d'onde – en particulier lorsque ces atomes sont étroitement emballés dans des matériaux solides et interagissent les uns avec les autres. Pour mieux comprendre le comportement quantique de ces matériaux, les chercheurs se tournent vers des atomes extrêmement froids dont les propriétés quantiques peuvent être contrôlées avec des lasers et des rayonnements électromagnétiques, et qui peuvent être assemblés en réseaux étroitement emballés qui imitent la disposition des atomes dans les matériaux solides.
Sandra Brandstetter à l'Université Heidelberg en Allemagne et ses collègues ont maintenant conçu un moyen d'agrandir les fonctions d'onde d'atomes ultracold à 50 fois pour les rendre encore plus faciles à image.
Ils ont commencé avec environ 30 atomes de lithium à une température seulement quelques millions de dollars au-dessus du zéro absolu, la limite de froideur ultime. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour limiter ces atomes en un plan plat et pour contrôler leurs états quantiques, les gardant efficacement dans un piège fabriqué à partir de lumière. Ensuite, l'équipe a changé les propriétés de cette lumière, desserrant le piège de la bonne manière pour que les fonctions d'onde des atomes deviennent plus grandes mais ne changent pas de forme autrement – les en magnifiant efficacement. Brandstetter dit que le réglage de la lumière de cette manière était comme aligner les lentilles d'agrandissement au microscope.
Après cette étape, l'équipe a utilisé des méthodes de détection d'atomes bien établies pour image les détails fins des fonctions d'onde qui étaient auparavant impossibles à analyser. «Si nous devions imaginer le système sans grossissement préalable, nous ne verrions qu'un seul blob, manquant complètement de la capacité de résoudre une structure», explique Brandstetter.
Elle et ses collègues ont utilisé la technique pour analyser plusieurs arrangements d'atomes. Par exemple, ils ont imaginé une paire d'atomes qui interagissaient les uns avec les autres, formant essentiellement une molécule – mais en raison du grossissement, l'équipe pourrait résoudre chaque atome individuellement. Le système le plus complexe de la nouvelle expérience comprenait 12 atomes en interaction, chacun avec différentes tours quantiques, une propriété qui détermine le comportement magnétique des matériaux.
Jonathan Mortlock à l'Université de Durham au Royaume-Uni dit que si des techniques de grossissement similaires ont été testées auparavant, la nouvelle expérience est la première à utiliser l'approche pour identifier le comportement quantique des atomes individuels dans un tableau. Un tel détail était auparavant impossible d'accès.
Maintenant, l'équipe veut utiliser la technique pour analyser ce qui se passe lorsque deux particules quantiques appelées Fermions se marient pour former un fluide qui peut circuler avec une viscosité nulle ou conduire de l'électricité avec une efficacité parfaite. Ces états de matière pourraient être utiles pour construire de meilleurs appareils électroniques, mais pour réaliser que les chercheurs d'objectifs auront besoin d'une compréhension beaucoup plus profonde de ce qui fait que les fermions se marient, et ce qui arrive à leurs états quantiques une fois que le jumelage s'est produit. Avec la nouvelle technique, les chercheurs pourraient créer une paire d'atomes fermioniques ultracold, puis imaginer sa fonction d'onde agrandie pour le découvrir, explique Brandstetter.
