La matière devient bizarre à l'échelle quantique, et parmi les bizarreries se trouve l'effet EFIMOV, un état dans lequel les forces d'attraction entre trois atomes ou plus les lient ensemble, même si elles sont excitées à des niveaux d'énergie plus élevés, tandis que cette même force est insuffisante pour lier deux atomes.
À l'Université Purdue, les chercheurs ont terminé l'immense calcul quantique requis pour représenter l'effet EFIMOV dans cinq atomes, ajoutant à notre image fragmentée de la nature la plus fondamentale de la matière.
Le calcul, qui s'applique à un large éventail de problèmes physiques – d'un groupe d'atomes étudiés dans un piège au laser aux gaz dans une étoile à neutrons – s'accompagne de notre compréhension fondamentale de la matière et peut conduire à des méthodes plus efficaces pour confiner les atomes pour l'étude.
Pour Christopher Greene, le professeur distingué d'Albert de physique à Purdue, qui a modélisé le problème avec quatre atomes en 2009, l'accomplissement a été de 15 ans. Greene est membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Des recherches sur les interactions entre cinq atomes ont été publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
« Comprendre comment cinq particules interagissent est un problème fondamental que nous devons résoudre si nous voulons faire avancer les applications quantiques au-delà du laboratoire », a déclaré Greene, qui a dirigé la recherche en collaboration avec Michael Higgins, un associé de recherche postdoctorale au laboratoire de Greene au moment de la recherche.
« Nous avons pu le faire avec une combinaison d'ordinateurs plus rapides, un traitement plus parallèle et une compréhension plus approfondie des mathématiques, des progrès qui nous ont fait un pas plus loin que nous le pouvions avec le problème à quatre corps en 2009. »
Dans une vue simpliste des gaz, des atomes ou des molécules se déplacent dans l'air et rebondissent les uns des autres comme des boules de billard. Les atomes se déplacent rapidement lorsqu'ils sont chauds et plus lentement lorsqu'ils sont froids. Mais les atomes exercent une petite force d'attraction les uns sur les autres, a déclaré Greene, ce qui soulève une question: quelle quantité de force d'attraction est nécessaire pour lier les particules lorsqu'ils interagissent?
La réponse peut être déterminée avec l'équation de Schrödinger, qui est utilisée pour prédire les résultats dans les systèmes quantiques au fil du temps.
Dans les années 1970, le physicien théoricien russe Vitaly EFimov a prédit que, étant donné la nature de l'attraction entre les atomes, plus de force serait nécessaire pour se lier à deux atomes que ce qui serait nécessaire pour se lier à trois. Paradoxalement, une fois combinée, les atomes resteraient liés quelle que soit l'énergie ajoutée au système, même si l'énergie supplémentaire augmente leur mouvement et la distance qu'ils sont capables de se déplacer les uns des autres.
Comme pour d'autres phénomènes quantiques, comme la superposition et l'enchevêtrement, l'État d'Efimov est difficile à comprendre compte tenu de notre expérience du monde physique, mais les interactions quantiques sont le fondement de ce monde quotidien.
En 1999, le groupe de recherche de Greene a prédit que, parce que les effets mécaniques quantiques sont plus dominants lorsque les atomes se déplacent très lentement, l'effet EFIMOV pourrait être observé dans les gaz refroidis à zéro presque absolu. Cinq ans plus tard, un groupe de recherche en Europe a induit un État d'Efimov parmi trois atomes de césium dans un gaz ultracold. Greene, un expert en physique quantique ultracold, a déclaré que l'induction du phénomène est depuis devenue une routine expérimentale.
Mais l'utilisation de l'équation de Schrödinger pour modéliser l'effet EFIMOV est à forte intensité de calcul même dans le scénario le plus simple possible, et chaque atome supplémentaire du système augmente la complexité des calculs requis. Les recherches de Greene en 2009 ont montré que quatre bosons identiques – une classe de particules subatomiques – plus facilement que trois.
La nouvelle solution, qui calcule la vitesse à laquelle cinq bosons identiques se combineront au fil du temps, n'ont été rendus possibles que par des améliorations de la capacité de calcul et de meilleures formulations qui surmontent des barrages routiers mathématiques.
« Nous pensons que nous connaissons les lois de la mécanique quantique, mais les formules sont incroyablement difficiles à résoudre. Il a pris une compréhension plus profonde des mathématiques pour atteindre ce point », a déclaré Greene. Il a crédité Higgins de la planification et de l'exécution des calculs du supercalculateur pour aider à faire progresser la physique théorique.
