L'imagerie précise de systèmes à plusieurs corps, qui comprennent de nombreuses particules en interaction, peuvent aider à valider les modèles théoriques et à mieux comprendre comment les particules individuelles dans ces systèmes s'influencent mutuellement. Les gaz quantiques ultracold, les collections d'atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu, sont parmi les plates-formes expérimentales les plus prometteuses pour étudier les interactions à plusieurs corps.
Pour étudier ces gaz, la plupart des physiciens utilisent une technique connue sous le nom d'imagerie résolue à atome unique, ce qui leur permet de détecter les atomes individuels et les corrélations de sonde dans leur comportement. Malgré ses avantages, cette méthode d'imagerie a une résolution relativement faible, il ne parvient donc pas à ramasser les caractéristiques plus subtiles d'un système.
Des chercheurs de l'Université de Heidelberg ont récemment conçu une nouvelle stratégie pour agrandir les fonctions des ondes atomiques, offrant une description mathématique de l'état quantique du système, qui pourrait aider à surmonter les limites des techniques d'imagerie à atomes uniques conventionnelles.
Leur approche, présentée dans un article publié dans Lettres d'examen physiquea été utilisé avec succès pour image directement en interaction fortement interagissant aux atomes ultracold à une échelle microscopique, jetant un nouvel éclairage sur leur organisation et les corrélations entre eux.
« La motivation de notre étude a été d'ajouter la capacité de résoudre directement la position des atomes individuels dans notre système », a déclaré Sandra Brandstetter, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Dans des expériences antérieures, nous pouvions déjà mesurer leurs moments avec une résolution à atomes uniques, mais en ce qui concerne la position, la résolution de notre méthode d'imagerie n'était pas suffisante: le nuage initial d'atomes est à peu près aussi important que la résolution de notre système d'imagerie optique, donc sans grossissement que nous verrions est une seule blob sans affaire. »
Essentiellement, Brandstetter et ses collègues ont décidé de développer une nouvelle approche qui leur permettrait de « magnifier » un système à plusieurs corps avant qu'il ne soit examiné avec l'imagerie à atomes uniques. Une telle stratégie pourrait permettre l'observation de structures spatiales cachées dans un système qui autrement passerait inaperçu.
« L'idée derrière notre approche est étroitement liée au fonctionnement d'un microscope optique: deux objectifs sont combinés pour produire une image agrandie », a expliqué Brandstetter. «Dans notre cas, au lieu des lentilles en verre, nous utilisons deux potentiels formés au laser soigneusement conçus qui permettent à la fonction d'onde des atomes de se développer de manière contrôlée.
« En ajustant ces« lentilles », nous pouvons modifier la résolution ou le champ de vision, mais tout comme en optique, même de légères désalignements déformeraient l'image. Avec un réglage minutieux, nous avons obtenu un grossissement propre qui a révélé des structures spatiales autrement cachées. »
Pour évaluer leur méthode proposée et démontrer son potentiel, Brandstetter et ses collègues l'ont utilisé pour étudier les systèmes quantiques avec des fonctions d'onde bien établies. Cela comprenait un système composé de deux atomes en interaction et un autre avec six fermions non interagissants à l'intérieur d'un piège harmonique.
Notamment, les résultats de l'expérience de l'équipe étaient étroitement alignés sur les prédictions théoriques et ce que l'on sait sur les deux systèmes. Cela suggère que leur schéma de grossissement fonctionne, élargissant de manière fiable les fonctions d'onde des atomes.
« Nous avons maintenant une méthode générale pour révéler des structures microscopiques dans des systèmes atomiques ultracold qui étaient auparavant cachés par les limites de la résolution optique », a déclaré Brandstetter. « Une force importante de notre approche est qu'elle peut être facilement adoptée par d'autres groupes, c'est pourquoi nous avons écrit le document comme une sorte de manuel d'instructions pour aider à la mise en œuvre.
« Par exemple, les chercheurs qui étudient les atomes avec des interactions dipolaires à longue portée utilisent souvent des espacements de réseau extrêmement petits – trop petits pour image directement. Notre schéma de grossissement permet d'observer et d'analyser ces interactions dans l'espace réel, en ouvrant la porte à de nouveaux types de mesures et des comparaisons plus directes avec la théorie. »
Cette étude récente ouvre des possibilités passionnantes pour la future étude et la simulation de systèmes quantiques fortement en interaction. Brandstetter et ses collègues mènent actuellement une étude supplémentaire, où ils utiliseront leur méthode pour étudier comment se former des paires d'atomes fermioniques.
« Il s'agit du mécanisme microscopique sous-jacent à la superfluidité », a ajouté Brandstetter. « Avec notre méthode d'agrandissement, nous pouvons désormais suivre ce processus dans l'espace de quantité de mouvement et sur l'espace réel, offrant un aperçu sans précédent de la façon dont le jumelage se développe dans des systèmes de taille finie. Cette question relie même notre expérience d'atomes ultracold à la physique nucléaire. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, 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.
