Des physiciens découvrent que des nuages ​​d’atomes ultrafroids peuvent former des « tornades quantiques »

Agrandir / (gd) Un gaz quantique apparaît d’abord sous la forme d’un bâtonnet allongé. En tournant, il devient hélicoïdal, puis il se décompose en gouttes, chacune une masse tourbillonnante. Entre les gouttes, de minuscules tourbillons apparaissent dans une série répétitive régulière.

MIT/Nature

Des physiciens du MIT ont réussi à faire se former des « tornades quantiques » dans des nuages ​​d’atomes ultrafroids, selon un article récent publié dans la revue Nature. C’est le premier direct, sur place Documentation de la façon dont un gaz quantique en rotation rapide évolue, et selon les auteurs, le processus ressemble à la façon dont les effets de rotation de la Terre peuvent donner lieu à des modèles météorologiques à grande échelle.

Les scientifiques du MIT étaient intéressés par l’étude de ce qu’on appelle fluides hall quantiques. Découverts pour la première fois dans les années 1980, les fluides Hall quantiques sont composés de nuages ​​d’électrons flottant dans des champs magnétiques. Dans un système classique, les électrons se repousseraient et formeraient un cristal. Mais dans les fluides Hall quantiques, les électrons imitent le comportement de leurs voisins, preuve d’une corrélation quantique.

« Les gens ont découvert toutes sortes de propriétés étonnantes, et la raison en était que, dans un champ magnétique, les électrons sont (classiquement) figés sur place – toute leur énergie cinétique est désactivée, et ce qui reste est purement des interactions », a déclaré le co-auteur Richard Fletcher, physicien au MIT. « Alors, tout ce monde a émergé. Mais c’était extrêmement difficile à observer et à comprendre. »

Fletcher et ses co-auteurs ont donc pensé qu’ils pourraient être en mesure de simuler ce comportement inhabituel des électrons en utilisant des nuages ​​de gaz quantiques ultrafroids. Connu comme Condensats de Bose-Einstein (BEC), ces gaz sont nommés en l’honneur d’Albert Einstein et du physicien indien Satyendra Bose. Dans les années 1920, Bose et Einstein ont prédit la possibilité que la nature ondulatoire des atomes puisse permettre aux atomes de s’étaler et de se chevaucher s’ils sont suffisamment rapprochés.

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À des températures normales, les atomes agissent comme des boules de billard et rebondissent les uns sur les autres. Baisser la température réduit leur vitesse. Si la température devient suffisamment basse (un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu) et que les atomes sont suffisamment denses, les différentes ondes de matière pourront se « sentir » les unes les autres et se coordonner comme si elles étaient un grand « superatome ».

Apparition successive de la condensation de Bose-Einstein dans le rubidium.  (de gauche à droite) La distribution atomique dans le nuage juste avant la condensation, au début de la condensation et après la condensation complète.
Agrandir / Apparition successive de la condensation de Bose-Einstein dans le rubidium. (de gauche à droite) La distribution atomique dans le nuage juste avant la condensation, au début de la condensation et après la condensation complète.

Domaine public

Les premiers BEC ont été créé en 1995, et en quelques années, plus de trois douzaines d’équipes avaient reproduit l’expérience. le Découverte lauréate du prix Nobel lancé une toute nouvelle branche de la physique. BEC permettre aux scientifiques étudier le petit monde étrange de la physique quantique comme s’ils le regardaient à travers une loupe, car un BEC « amplifie » les atomes de la même manière que les lasers amplifient les photons.

Les gaz atomiques ultrafroids sont bons pour simuler les électrons dans les solides, mais ils manquent de charge. Cette neutralité peut rendre difficile la simulation de phénomènes tels que l’effet Hall quantique. Faire tourner un tel système neutre est une façon de surmonter cet obstacle.

« Nous avons pensé, faisons en sorte que ces atomes froids se comportent comme s’ils étaient des électrons dans un champ magnétique, mais que nous pourrions contrôler exactement. » a déclaré le co-auteur Martin Zwierlein, également physicien au MIT. « Ensuite, nous pouvons visualiser ce que font les atomes individuels et voir s’ils obéissent à la même physique mécanique quantique. »

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À l’aide d’un piège laser, les scientifiques du MIT ont refroidi environ 1 million d’atomes de sodium gazeux ; les atomes refroidis étaient maintenus en place par un champ magnétique. La deuxième étape est le refroidissement par évaporation, dans lequel un réseau de champs magnétiques conspire pour expulser les atomes les plus chauds afin que les atomes les plus froids puissent se rapprocher plus étroitement. Le processus fonctionne à peu près de la même manière que le refroidissement par évaporation se produit avec une tasse de café chaud : les atomes les plus chauds montent au sommet du piège magnétique et « sautent » sous forme de vapeur.

Ces mêmes champs magnétiques peuvent également faire tourner les atomes à l’intérieur du piège à environ 100 rotations par seconde. Ce mouvement a été capturé sur une caméra CCD, grâce à la fluorescence des atomes de sodium en réponse à la lumière laser. Les atomes projettent une ombre qui peut ensuite être observée à l’aide d’une technique appelée imagerie par absorption.

En 100 millisecondes, les atomes se sont transformés en une structure longue et mince ressemblant à une aiguille. Contrairement à un fluide classique (comme la fumée de cigarette), qui ne cesse de se fluidifier, un fluide quantique a une limite quant à sa fluidité. Les chercheurs du MIT ont découvert que les structures en forme d’aiguille qui se formaient dans leurs gaz ultrafroids atteignaient cette limite de finesse. Les chercheurs ont décrit leur gaz quantique en rotation et les découvertes connexes l’année dernière Dans la science.

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Nuages ​​de vagues se formant sur le mont Duval, Nouvelle-Galles du Sud, Australie, en raison d'une instabilité de Kelvin-Helmholtz.
Agrandir / Nuages ​​de vagues se formant sur le mont Duval, Nouvelle-Galles du Sud, Australie, en raison d’une instabilité de Kelvin-Helmholtz.

Ce dernier article pousse l’expérience du MIT un peu plus loin en examinant comment le fluide en forme d’aiguille pourrait évoluer dans des conditions de rotation pure et d’interactions atomiques. Résultat : une incertitude quantique est apparue, faisant vaciller l’aiguille de fluide, puis se tirer-bouchon. Finalement, le fluide s’est cristallisé en une chaîne de gouttes en rotation ressemblant à des tornades – un cristal quantique entièrement formé à partir d’interactions atomiques dans le gaz en rotation. L’évolution est étonnamment similaire aux formations appelées Nuages ​​de Kelvin-Helmholtz, dans lequel un nuage homogène commence à former des doigts successifs à la suite d’une différence de vitesse (vitesse et direction) entre deux courants de vent dans l’atmosphère.

« Cette évolution est liée à l’idée de la façon dont un papillon en Chine peut créer une tempête ici, en raison d’instabilités qui déclenchent des turbulences », dit Zwierlein. « Ici, nous avons une météo quantique : le fluide, uniquement à cause de ses instabilités quantiques, se fragmente en cette structure cristalline de nuages ​​et de vortex plus petits. Et c’est une percée de pouvoir voir ces effets quantiques directement. »

Apparemment, ce comportement avait été prédit dans un article antérieur par d’autres physiciens, que l’équipe du MIT vient tout juste de découvrir. Et il existe des applications pratiques potentielles pour cette recherche, notamment en tant que capteurs de rotation très sensibles pour la navigation sous-marine. Sous-marins compter au gyroscopes à fibre optique pour détecter le mouvement de rotation lorsqu’ils sont submergés, ce qui produit un motif d’interférence révélateur. Les atomes se déplacent plus lentement que la lumière, donc un capteur de tornade quantique serait beaucoup plus sensible, peut-être même assez sensible pour mesurer de légers changements dans la rotation de la Terre.

DOI : Nature, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (À propos des DOI).

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