En utilisant des gaz quantiques ultrafroids, des physiciens dirigés par Rudolf Grimm ont donné vie aux quasiparticules théoriques de Lev Landau, simulant le comportement des électrons dans les solides. L’équipe a découvert que ces quasi-particules peuvent présenter des interactions à la fois attractives et répulsives, mettant en évidence le rôle fondamental des statistiques quantiques dans leur comportement.
Les physiciens, s’appuyant sur la théorie des quasiparticules de Lev Landau, ont utilisé des gaz quantiques ultrafroids pour simuler le comportement des électrons dans les solides. Leur expérience récente a révélé que ces quasi-particules peuvent avoir des interactions à la fois attractives et répulsives, soulignant l’importance des statistiques quantiques.
Un électron se déplaçant dans un solide génère une polarisation dans son environnement du fait de sa charge électrique. Dans ses considérations théoriques, le physicien russe Lev Landau a étendu la description de ces particules par leur interaction avec l’environnement et a parlé de quasiparticules. Il y a plus de dix ans, l’équipe dirigée par Rudolf Grimm de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQQOI) de l’Académie autrichienne des sciences (ÖAW) et du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck a réussi à générer de telles quasiparticules pour interactions à la fois attractives et répulsives avec l’environnement.
À cette fin, les scientifiques utilisent un gaz quantique ultrafroid composé d’atomes de lithium et de potassium dans une chambre à vide. À l’aide de champs magnétiques, ils contrôlent les interactions entre les particules et, au moyen d’impulsions radiofréquence, poussent les atomes de potassium dans un état dans lequel ils attirent ou repoussent les atomes de lithium qui les entourent. Les chercheurs simulent ainsi un état complexe similaire à celui produit à l’état solide par un électron libre.
Les atomes de potassium (jaune) entourés d’atomes de lithium (bleu) forment des polarons qui interagissent les uns avec les autres. Crédit : IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
Un examen plus approfondi des solides
Désormais, les scientifiques dirigés par Rudolf Grimm ont pu générer simultanément plusieurs quasi-particules de ce type dans le gaz quantique et observer leurs interactions les unes avec les autres. « Dans une notion naïve, on pourrait supposer que les polarons s’attirent toujours, que leur interaction avec l’environnement soit attractive ou répulsive », explique le physicien expérimentateur. « Cependant, ce n’est pas le cas. Nous observons une interaction attractive dans les polarons bosoniques, une interaction répulsive dans les polarons fermioniques. Ici, les statistiques quantiques jouent un rôle crucial.
Les chercheurs ont pu démontrer pour la première fois expérimentalement ce comportement, qui en principe découle déjà de la théorie de Landau. Les calculs théoriques ont été effectués par des collègues du Mexique, d’Espagne et du Danemark. « Pour mettre en œuvre cela en laboratoire, il fallait de grandes compétences expérimentales », explique Cosetta Baroni, première auteure de l’étude, « car même les plus petits écarts auraient pu fausser les mesures. »
«De telles recherches nous donnent un aperçu des mécanismes fondamentaux de la nature et nous offrent d’excellentes possibilités de les étudier en détail», déclare avec enthousiasme Rudolf Grimm.
