Un regard profond sur le monde quantique dipolaire
Un microscope à gaz quantique ultra-précis pour l'observation de la matière magnétique quantique
Deux groupes de recherche de premier plan au niveau mondial, l'un dirigé par Francesca Ferlaino et l'autre par Markus Greiner, ont mis en commun leur expertise et développé un microscope à gaz quantique ultra-précis pour l'observation de la matière magnétique quantique. Celui-ci permet d'observer des états quantiques complexes et dipolaires qui sont le résultat de l'interaction des particules, comme le rapportent les scientifiques.
Le microscope à gaz quantique ressemble à un bateau dans le verre : la chambre à vide et la lentille se trouvent dans une cellule de verre, un cristal de lumière est créé dans la chambre à l'aide de lasers.
M.R.Knabl
Les atomes magnétiques sont au cœur des recherches de Francesca Ferlaino sur la matière quantique. Ces particules possèdent des propriétés incomparables pour les expériences quantiques. À l'Institut d'optique et d'information quantiques (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences et à l'Institut de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck, la physicienne expérimentale et son équipe étudient des états de la matière qui n'ont pas pu être étudiés jusqu'à présent. En 2012, ils ont ainsi réalisé le premier condensat de Bose-Einstein en erbium et en 2019, ils ont été l'une des trois équipes à observer pour la première fois des états suprasolides dans des gaz quantiques ultrafroids composés d'atomes magnétiques. L'équipe du physicien Markus Greiner, originaire d'Allemagne, est pionnière dans le développement de techniques optiques pour l'observation directe d'atomes individuels. À l'université de Harvard, les physiciens ont utilisé la microscopie à haute résolution pour visualiser de nombreux phénomènes exotiques dans des gaz quantiques ultrafroids fortement corrélés, comme les phases anti-ferromagnétiques en 2017.
Il y a quelques années, Ferlaino et Greiner avaient décidé de mettre en commun leur expertise et de construire ensemble un microscope à gaz quantique pour atomes magnétiques, dans le but de rendre de nouveaux phénomènes accessibles. "En raison de leur caractère fortement magnétique, les particules s'influencent sur des distances beaucoup plus grandes que les particules non magnétiques et leur influence agit toujours dans une certaine direction", explique Francesca Ferlaino. "En raison des propriétés des particules, nous pouvons observer dans ces gaz quantiques des interactions qui ne sont pas visibles dans les expériences traditionnelles. Cela nous offre des perspectives totalement nouvelles sur le fonctionnement des solides".
De nouveaux solides quantiques observés
Après des années de travail minutieux, les équipes de recherche ont développé ensemble la nouvelle expérience et mis en place deux microscopes en Autriche et aux États-Unis. "Nous avons fabriqué certaines parties de l'appareillage ici, à Innsbruck", raconte Ferlaino. Aujourd'hui, un microscope à gaz quantique pour les gaz quantiques dipolaires se trouve à la fois à Harvard et à Innsbruck. Il produit avec des rayons laser un réseau de lumière dans lequel se répartissent des atomes d'erbium refroidis à des températures extrêmement basses. Des champs magnétiques permettent d'orienter différemment les particules et de contrôler ainsi les interactions. La lentille du microscope se trouve à l'intérieur d'une cellule à vide en verre, et la structure rappelle ainsi un bateau dans une bouteille.
L'équipe de Markus Greiner présente maintenant les premiers résultats de ces travaux dans la revue spécialisée Nature. Les scientifiques ont réussi à montrer comment, en manipulant les interactions dans l'appareil, il est possible de produire différents solides quantiques dipolaires à partir de phases supraliquides. Ceux-ci apparaissent au microscope sous forme de différents motifs : bandes transversales, damiers ou bandes diagonales. "Ici, l'interaction directionnelle à grande échelle des particules détermine les propriétés du nuage de matière, la force organisatrice du cristal de lumière est brisée", explique Francesca Ferlaino.
La base de cette percée a été la collaboration étroite et de longue date de deux groupes de recherche expérimentale à travers un océan. Le travail commun permet désormais de réaliser des simulations de systèmes quantiques avec des interactions à longue portée et dirigées, créant ainsi la base de nouvelles connaissances sur les propriétés de la matière quantique. "C'est intéressant pour tous les phénomènes dominés par ces interactions, comme le ferromagnétisme", s'enthousiasme Ferlaino.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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