Changer les interactions entre les plus petites particules par simple pression sur un bouton : les chercheurs quantiques du RPTU ont développé un nouvel outil qui rend cela possible. La nouvelle approche – un champ magnétique oscillant dans le temps – a le potentiel d’élargir considérablement les connaissances fondamentales dans le domaine de la physique quantique. Cela ouvre également des perspectives totalement nouvelles sur le développement de nouveaux matériaux.
Puces informatiques, techniques d'imagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique, imprimantes laser, transistors et systèmes de navigation : de nombreux jalons de notre monde moderne n'auraient pas été possibles sans les découvertes de la physique quantique. Ce qui est remarquable, c’est qu’il y a seulement une centaine d’années, les physiciens ont découvert que le monde aux plus petites échelles ne pouvait être expliqué par les lois de la physique classique.
Les atomes et leurs composants, protons, neutrons et électrons, mais aussi les particules lumineuses, présentent parfois des comportements physiques inconnus dans le monde macroscopique. À ce jour, le monde quantique recèle donc des phénomènes peu clairs et surprenants qui, une fois compris et contrôlables, pourraient révolutionner les technologies futures.
Les chercheurs du RPTU sont à l’avant-garde lorsqu’il s’agit d’élargir ces connaissances fondamentales dans le domaine de la physique quantique. Ils travaillent entre autres sur la question de savoir comment contrôler de manière ciblée les différents atomes. Pour ce faire, ils utilisent entre autres des gaz ultra-froids pour étudier les atomes et leur comportement en mécanique quantique.
Dans une étude récente publiée dans Avancées scientifiquesles chercheurs ont découvert comment les interactions entre les atomes dans un gaz ultra-froid peuvent être contrôlées avec précision en les « pilotant » périodiquement au fil du temps.
Le professeur Artur Widera, qui recherche et enseigne la physique quantique à la RPTU, explique : « Normalement, ce que l'on appelle les résonances de diffusion de Feshbach sont utilisées dans de tels systèmes. » Cela signifie qu’un champ magnétique externe peut provoquer une interaction entre les atomes de manière allant d’une attraction ou répulsion à peine mesurable à une attraction ou une répulsion extrêmement forte.
Ce qui est nouveau dans l'approche adoptée par les chercheurs du RPTU, c'est qu'ils utilisent un champ magnétique oscillant temporellement pour générer des résonances de diffusion Floquet supplémentaires. Ces résonances de diffusion Floquet se produisent en plus des résonances de diffusion Feshbach, mais leurs propriétés peuvent être contrôlées sur une très large plage par la force et la fréquence de l'oscillation du champ magnétique utilisée. Cela signifie que l’interaction des systèmes de mécanique quantique peut désormais être ajustée dans des situations où l’expérience était auparavant fixée à une valeur unique.
Un autre article récemment publié dans Lettres d'examen physique fournit la base théorique correspondante : les chercheurs du RPTU y prouvent que les résonances observées sont basées sur des états liés générés dynamiquement.
« Ces états n'existent que grâce à la modulation temporelle et peuvent modifier radicalement le comportement de diffusion des atomes », explique le professeur Sebastian Eggert, qui recherche et enseigne les principes fondamentaux des systèmes à l'état solide et à plusieurs corps au RPTU.
Adapter les résonances et les interactions
En résumé, les travaux expérimentaux et théoriques montrent que les résonances et les interactions peuvent être adaptées à l'aide du nouvel outil. Widera déclare : « Nous pouvons contrôler les gaz quantiques dans des expériences pour atteindre des états auparavant inaccessibles. Et nous pouvons le faire aussi longtemps que nous le souhaitons. »
Les chercheurs peuvent désormais contrôler spécifiquement si les particules se repoussent ou non. « Sur simple pression d'un bouton, nos particules neutres peuvent soudainement interagir d'une manière complètement différente ; si elles avaient une charge, nous pourrions ajuster la charge en continu, pour ainsi dire. La matière acquiert soudainement des propriétés d'interaction différentes. Avec le nouvel outil, tout cela est possible », explique Widera.
Ce nouveau développement ouvre de nombreuses perspectives pour la physique quantique, tant en termes de recherche fondamentale qu’en termes d’applications possibles : non seulement des états exotiques de la matière, dont nous ne connaissons pas encore l’existence, pourraient ainsi être explorés de cette manière, par exemple. Les systèmes à semi-conducteurs peuvent être simulés et les états de la matière peuvent être modifiés lors d'une simulation par simple pression sur un bouton. Cet outil pourrait également ouvrir des perspectives totalement nouvelles dans le développement de nouveaux matériaux.
