La nature classe les particules en deux types fondamentaux: les fermions et les bosons. Alors que les particules de construction de matière telles que les quarks et les électrons appartiennent à la famille Fermion, les bosons servent généralement de porteurs de force – des exemples incluent des photons, qui médient les interactions électromagnétiques, et les glluons, qui régissent les forces nucléaires.
Lorsque deux fermions sont échangés, la fonction d'onde quantique prend un signe moins, c'est-à-dire mathématiquement parlant, une phase de Pi. Ceci est totalement différent pour les bosons: leur phase à l'échange est nulle.
Cette propriété statistique quantique a des conséquences drastiques sur le comportement des systèmes quantiques fermioniques ou bosoniques à plusieurs corps. Il explique pourquoi le tableau périodique est construit tel qu'il est, et il est au cœur de la supraconductivité.
Cependant, dans les systèmes de faible dimension, une nouvelle classe fascinante de particules émerge: Anyons – ni fermions ni bosons, avec des phases d'échange entre zéro et pi. Contrairement aux particules traditionnelles, tout le monde n'existe pas indépendamment mais se présente comme des excitations dans les états quantiques de la matière. Ce phénomène s'apparente aux phonons, qui se manifestent comme des vibrations dans une chaîne mais se comportent comme des « particules de son » distinctes.
Bien que des antécédents aient été observés dans des milieux bidimensionnels, leur présence dans les systèmes unidimensionnelles (1D) est restée insaisissable – jusqu'à présent.
Une étude publiée dans Nature Signale la première observation d'un comportement émergent de n'importe quelicien dans un gaz bosonique ultracold 1D.
Cette recherche est une collaboration entre le groupe expérimental de Hanns-Christoph Nägerl à l'Université d'Innsbruck (Autriche), le théoricien Mikhail Zvonarev à Université Paris-Saclay et le groupe théorique de Nathan Goldman à Université Libre de Bruxelles (Belgique) et Collège de France (Paris).
L'équipe de recherche a réalisé cet exploit remarquable en injectant et en accélérant une impureté mobile en un gaz bosonique fortement interagissant, analysant méticuleusement sa distribution d'élan. Leurs résultats révèlent que l'impureté permet l'émergence de tout le monde dans le système.
« Ce qui est remarquable, c'est que nous pouvons composer en continu la phase statistique, ce qui nous permet de passer en douceur du comportement bosonique au comportement fermionique », explique Sudipta Dhar, l'un des principaux auteurs de l'étude. « Cela représente une avance fondamentale dans notre capacité à concevoir des états quantiques exotiques. »
Le théoricien Botao Wang est d'accord: « Notre modélisation reflète directement cette phase et nous permet de capturer très bien les résultats expérimentaux dans nos simulations informatiques. »
Ce cadre expérimental élégamment simple ouvre de nouvelles avenues pour étudier tout le monde dans les gaz quantiques hautement contrôlés. Au-delà de la recherche fondamentale, ces études sont particulièrement excitantes car certains types de tout devraient permettre l'informatique quantique topologique – une approche révolutionnaire qui pourrait surmonter les limites clés des processeurs quantiques d'aujourd'hui.
Cette découverte marque une étape centrale dans l'exploration de la matière quantique, jetant une nouvelle lumière sur le comportement de particules exotiques qui pourrait façonner l'avenir des technologies quantiques.
