Observation en temps réel de modes quantiques collectifs

Un état-major cylindrique est symétrique en rotation - si on le fait tourner à volonté autour de son axe, il a toujours la même apparence. Mais si l'on exerce sur elle une force de plus en plus grande dans le sens de la longueur, elle finira par se plier et par perdre sa symétrie de rotation. De tels processus, appelés "brisure spontanée de symétrie", se produisent également de manière subtile dans le monde microscopique des quanta, où ils sont responsables d'une série de phénomènes fondamentaux comme le magnétisme et la supraconductivité. Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Tilman Esslinger de l'ETH et le Senior Scientist Tobias Donner de l'Institut d'électronique quantique a maintenant étudié en détail les conséquences d'une rupture spontanée de symétrie à l'aide d'un simulateur quantique. Les résultats de la recherche ont récemment été publiés dans la revue spécialisée page externeScience.

Transitions de phase par rupture de symétrie

Dans leur nouveau travail, Esslinger et ses collaborateurs se sont particulièrement intéressés aux transitions de phase, c'est-à-dire aux processus au cours desquels les propriétés d'un système physique changent radicalement - comme par exemple lors du passage d'un matériau de l'état solide à l'état liquide, ou lors de la magnétisation spontanée d'un corps solide. Dans certains types de transitions de phase provoquées par une rupture spontanée de symétrie, des modes dits de Higgs et de Goldstone apparaissent. Ceux-ci décrivent comment les particules d'une matière réagissent collectivement aux perturbations extérieures. "Jusqu'à présent, ces excitations collectives n'ont été détectées qu'indirectement", explique Julian Léonard, qui a obtenu son doctorat dans le laboratoire d'Esslinger et est actuellement postdoctorant à l'université de Harvard, "mais nous avons maintenant réussi à observer directement le caractère imposé par la symétrie de ces modes".

Sombrero dans le simulateur quantique

Pour ce faire, les physiciens ont construit un simulateur quantique - un système de laboratoire donc, dans lequel les phénomènes quantiques peuvent être étudiés à l'état pur et dans des conditions contr?lées. Le simulateur quantique des chercheurs de l'ETH se compose d'atomes de rubidium extrêmement froids qui sont exposés à plusieurs ondes lumineuses. A l'aide de deux résonateurs optiques, un couplage est créé entre les atomes et les ondes lumineuses, ce qui fait que la forme de l'énergie potentielle des atomes de rubidium ressemble à un saladier à symétrie de révolution. Les coordonnées de la surface énergétique correspondent à l'intensité de la lumière dans les deux résonateurs. Au moyen d'un rayon laser qui génère un réseau optique, cette surface de saladier peut être modifiée de manière à ce qu'elle ressemble à un sombrero mexicain avec un renflement en son centre au-dessus d'une intensité critique du rayon laser.

Dans cette situation, il se produit, comme dans le cas d'un état-major cylindrique, une rupture spontanée de symétrie : de la même manière que le barreau s'infléchit soudainement et de manière aléatoire dans une direction de l'espace lorsque la force augmente, dans l'expérience d'Esslinger, les atomes qui se trouvaient initialement au centre du saladier cherchent tous ensemble un nouveau minimum d'énergie dans le sombrero. Celui-ci peut se trouver n'importe où dans la gouttière du sombrero, car chaque point le long de la gouttière a la même énergie. Mais cela signifie aussi que les atomes peuvent être déplacés collectivement (du point de vue énergétique) le long de la gouttière sans dépense d'énergie, ce qui correspond à ce que l'on appelle le mode Goldstone. En revanche, si l'on veut les pousser radialement - en s'éloignant ou en se rapprochant du centre du sombrero - il faut pour cela fournir l'énergie potentielle nécessaire à ce mode de Higgs. On peut comparer cela à un état-major plié, que l'on peut certes tourner facilement, mais que l'on ne peut que difficilement tordre davantage.

Mesure de la mode en temps réel

" Normalement, on détecte les modes de Goldstone et de Higgs indirectement par le biais de cette énergie nécessaire ", explique Andrea Morales, qui a également participé à l'expérience en tant que doctorant, " mais nous avons désormais pu étudier en temps réel comment ces modes se comportent lorsqu'on perturbe le système."Pour ce faire, les chercheurs ont envoyé une brève impulsion laser dans l'un des résonateurs optiques et ont ensuite mesuré en fonction du temps les intensités lumineuses dans les deux résonateurs, à partir desquelles la position des atomes dans le sombrero énergétique a pu être calculée. Comme prévu, seule la coordonnée angulaire le long de la gouttière a changé après l'excitation d'un mode de Goldstone, alors que la position radiale a varié avec le mode de Higgs.

Pour Tilman Esslinger, cette observation directe d'un phénomène multiparticulaire important et très répandu, mais qui n'était jusqu'à présent observable qu'indirectement, est l'un des principaux atouts du simulateur quantique : "Nous avons dans ces systèmes quantiques synthétiques une réalisation assez idéale de ce qui se produit aussi dans la nature - dans les corps solides ou même dans les molécules individuelles. L'observation directe de la dynamique des modes de Goldstone et de Higgs dans le simulateur quantique approfondit notre compréhension de ce qui se passe dans de tels systèmes naturels".