Les oscillations Bloch sont des oscillations périodiques de particules quantiques dans une énergie répétitive « paysage » (par exemple, un réseau cristallin) qui sont soumis à une force constante. Ces mouvements de particules ont été au centre de nombreuses études physiques, car elles sont des effets quantiques intrigants qui ne sont pas prédits par les théories de la mécanique classique.
Le sondage des oscillations Bloch expérimentalement pourrait ainsi donner de nouveaux informations sur les propriétés fondamentales de la matière quantique. Jusqu'à présent, ils ont été principalement étudiés dans des particules individuelles ou des systèmes à deux particules, par opposition aux systèmes quantiques à plusieurs corps composés de plusieurs particules.
Les chercheurs de l'Université CNRS-Ens-PSL et de l'Université de Sorbonne rapportent l'observation des oscillations collectives de Bloch dans un gaz bose unidimensionnel (1D), un liquide quantique composé de bosons, qui sont des particules qui peuvent occuper le même état quantique.
Leur article, publié dans Physique de la naturedémontre que ces types largement étudiés de mouvements de particules peuvent également être observés pour les systèmes composites tout en ouvrant de nouvelles possibilités pour l'étude des interactions à plusieurs corps.
« La motivation de réaliser cette expérience est venue d'une discussion avec un collègue, N. Pavloff, qui a raconté un travail théorique récent qu'il a effectué en collaboration avec l'équipe d'A. Recati à Trento, en Italie », a déclaré Jerome Beugnon, auteur senior du journal, à Issues.fr.
« J'ai été attiré par le projet pour deux raisons. Le comportement prévu est spectaculaire et très contre-intuitif: si vous exercez une force constante et uniforme sur le paquet d'ondes étudié des atomes, ce paquet d'ondes oscille dans l'espace.
« Alors que cela est bien connu (comme des oscillations Bloch) dans la mécanique quantique, lorsqu'une seule particule évolue dans un potentiel de réseau (comme les électrons dans les solides), c'est beaucoup plus surprenant pour un système sans réseau. C'est la nature quantique du bain dans lequel le papier d'onde se déplace qui est la clé d'expliquer ce comportement. »
Alors que les physiciens théoriques ont fourni une bonne compréhension des oscillations Bloch à plusieurs corps, tester leurs théories expérimentalement s'est souvent révélée difficile. Dans leur article, Beugnon et ses collègues introduisent une nouvelle plate-forme expérimentale qui permet la réalisation des oscillations collectives de Bloch et pourrait ainsi aider à tester ces théories.
« Le système physique que nous avons utilisé est un mélange de deux composants d'atomes ultracold », a expliqué Beugnon. « Nous créons un paquet d'ondes de l'un des composants et étudions son mouvement dans un bain fait de l'autre composant. Les atomes sont piégés par des potentiels laser, et la force externe que nous appliquons sur le système est une force magnétique. »
Dans le système physique qu'ils ont réalisé, les chercheurs ont pu observer les oscillations Bloch impliquant environ 1 000 particules, qui n'avaient jamais été réalisées auparavant. Il s'agit d'une réalisation remarquable, étant donné que les oscillations signalées dans les travaux la plupart plus antérieures n'étaient pas collectives, mais étaient plutôt limitées à une ou deux particules.
« Notre observation est un excellent exemple pour révéler les propriétés spécifiques des systèmes quantiques unidimensionnels, ici la périodicité de leur relation de dispersion », a déclaré Beugnon.
« Nous avons également étendu l'étude théorique au cas des atomes se déplaçant dans une géométrie annulaire et montrons l'interaction entre les oscillations Bloch et la création de courants superfluides quantifiés pendant le mouvement. »
Les travaux récents de Beugnon et de ses collègues introduisent une nouvelle plate-forme expérimentale prometteuse pour étudier les mouvements collectifs dans des systèmes quantiques fortement interagissant. Les recherches futures sondant le système physique qu'ils ont examinées, ou d'autres systèmes similaires, pourraient améliorer la compréhension actuelle des interactions à plusieurs corps, tout en permettant aux physiciens de tester des prédictions théoriques non confirmées.
« Le paquet d'ondes que nous avons étudié est un soi-disant soliton magnétique », a ajouté Beugnon. « Dans la pratique, c'est un exemple d'une plus grande famille de solitons magnétiques. La dynamique des solitons magnétiques plus généraux devrait être très riche, et nous prévoyons de les explorer à l'avenir. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
