Séminaire Fellows USIAS : Créer, contrôler et comprendre la matière quantique complexe grâce aux atomes ultra-froids
Par Shannon Whitlock, Fellow USIAS 2017
La mécanique quantique décrit la nature à l’échelle la plus petite. Elle est également responsable du comportement collectif de la matière à basse température, qui défie souvent notre intuition « classique ». À cet égard, l’une des conséquences les plus profondes et paradoxales de la mécanique quantique est la dualité onde-corpuscule, c’est-à-dire le fait que les objets quantiques peuvent se comporter à la fois comme des ondes ou des particules. Bien que ces propriétés s’appliquent rarement aux objets de la vie quotidienne, deux des plus grandes découvertes de la physique du 20e siècle (la supraconductivité, c’est-à-dire la disparition soudaine et spectaculaire de la résistance électrique, et la superfluidité, le fait que la matière se comporte comme un liquide dépourvu de viscosité en-dessous d'une température critique) sont des manifestations macroscopiques du comportement ondulatoire collectif de nombreuses particules dans le même étant quantique. De même, ces phénomènes quantiques collectifs peuvent donner lieu à des propriétés optiques et électroniques des matériaux totalement nouvelles, permettant d'optimiser la manière dont la charge, l'énergie ou l'information sont transportées dans les molécules complexes ou d'autres dispositifs quantiques. Cependant, en dehors de quelques cas très spécifiques, il est impossible de prédire comment ces propriétés physiques désirables se comportent à partir d'une description microscopique du système. De plus, il n'est pas évident que ces effets puissent être contrôlés de manière délibérée.
Au cours des dernières années, énormément de progrès ont été accomplis dans la création et le contrôle de systèmes quantiques, atteignant même le niveau des particules individuelles comme les atomes et les photons. Au sein du Laboratoire de matière quantique exotique, nous utilisons le refroidissement et le piégeage laser pour isoler les atomes de leur environnement et les porter à une température proche du zéro absolu (-273,15 °C). À cette température, leur comportement est presque entièrement régi par des principes de mécanique quantique. À partir de là, nous amenons les atomes dans des états de haute excitation (appelés états de Rydberg) afin d'exacerber et de contrôler leurs interactions microscopiques. Ce faisant, nous pouvons créer des systèmes quantiques synthétiques au sein desquels nous sommes à même de manipuler les « règles » quantiques sous-jacentes, ce qui nous permet d'observer comment les systèmes quantiques complexes évoluent dans un environnement exceptionnellement propre.
Comparés aux matériaux conventionnels, les systèmes quantiques composés d’atomes ultra-froids présentent de nombreux avantages. En effet, la physique microscopique régissant ces systèmes est connue de manière précise et les quantités macroscopiques essentielles sont accessibles via l'expérimentation. Par conséquent, ils peuvent être utilisés comme « simulateurs quantiques » afin d’obtenir des connaissances sur la manière dont les comportements quantiques complexes émergent de simples interactions entre de nombreuses particules. Ils offrent également un terrain de jeu idéal pour explorer les comportements quantiques exotiques comme la supraconductivité, la superfluidité, le magnétisme et la dynamique quantique hors équilibre ainsi que leur large éventail d'applications. Par exemple, ils peuvent contribuer à éclaircir la manière dont la cohérence quantique influence la dynamique moléculaire responsable de la conversion remarquablement efficace de la lumière en énergie dans les systèmes réalisant la photosynthèse, mais également d'inspirer de nouvelles architectures de calcul exploitant les effets quantiques pour résoudre des problèmes bien au-delà de nos capacités informatiques actuelles.
Illustration : Processus d’auto-organisation au sein d’un gaz dirigé d’atomes de Rydberg ultra-froids
