Les atomes extrêmement froids défient l’entropie et refusent de chauffer

La dynamisation à plusieurs reprises d’une collection d’atomes ultracold devrait détruire leur structure collective, mais les effets quantiques semblent contrer le processus.

Le sort ultime de tout système physique devrait être une «thermalisation», un processus par lequel tout se réchauffe et devient égal et sans fraîcheur, comme une sculpture de glace devenir une flaque d’eau de l’eau. Intuitivement, nous supposons que lancer à plusieurs reprises des rochers sur la sculpture ne pouvait qu’accélérer ce processus, mais Hanns-Christoph nӓgerl à l’Université d’Innsbruck en Allemagne et ses collègues ont organisé une expérience qui a essentiellement fait cela pour certains des atomes les plus froids sur la planète et ne les a pas vus thermiquement.

«Nous nous attendions à voir le contraire», explique NӓGerl. Les chercheurs ont utilisé environ 100 000 atomes de césium qu’ils ont refroidi zéro absolu En les frappant avec des lasers et des forces électromagnétiques – à cette température, le comportement des atomes est entièrement quantique. L’équipe a organisé les atomes en milliers de tubes à un atome. Ensuite, ils ont commencé à les «donner des coups de pied» en faisant briller une impulsion laser supplémentaire sur les atomes encore et encore.

Parce que ces coups de pied ont donné aux atomes de l’énergie supplémentaire, ils auraient dû les faire chauffer et s’envoler avec différentes vitesses. Membre de l’équipe Yanliang Guo Dit qu’ils n’ont jamais vu cela se produire, même si lui et ses collègues ont essayé d’appliquer des coups de pied de différentes forces et ont peaufiné la force des atomes interagissaient les uns avec les autres. Les atomes ont continué à bouger avec une vitesse très similaire, comme s’ils étaient tous «gelés» dans un seul état quantique.

L’idée de Particules quantiques battant la thermalisation n’est pas nouveau – il date des années 1950 – et la question de savoir quand cela peut se produire a longtemps alimenté les débats des physiciens. Le membre de l’équipe, Manuele Landini, a déclaré que les expériences précédentes qui ont exploré comment les coups de pied affectent les atomes, s’ils réchauffent, ont finalement révélé qu’ils finissent, mais l’expérience de son équipe a exploré une gamme différente de paramètres, il a donc peut-être capturé une physique vraiment nouvelle.

Les théories mathématiques de ce qui se passe sont également stimulantes et conflictuelles. Adam Rançon À l’Université de Lille en France, il est difficile de calculer si l’interaction des atomes se réchauffera est si difficile que les chercheurs ne peuvent souvent terminer que des calculs pour deux ou trois atomes. Il y a des idées sur la façon dont les états quantiques des atomes qui interagissent très fortement peuvent chevaucher de la bonne manière pour produire un état qui n’absorbe pas l’énergie, mais, à son avis, l’image est incomplète.

Des expériences comme la nouvelle peuvent agir comme simulateurs quantiques Cela peut aller plus loin, mais Rançon dit que certaines forces de coup de pied et d’interaction restent à explorer.

Robert Konik au Brookhaven National Laboratory de New York a travaillé sur un modèle mathématique d’un système comme celui de la nouvelle expérience, qui a prédit le comportement étrange des atomes. Il dit que l’identification des systèmes qui ne continue pas à absorber l’énergie des coups de pied peut également s’inspirer de nouvelles technologies quantiques. En effet, l’état quantique dans lequel les atomes sont coincés deviennent durables et pourraient être utilisés de manière fiable pour détecter ou stocker des informations. «La thermalisation est toujours le baiser de la mort aux effets quantiques», dit-il.

Les chercheurs travaillent déjà sur des expériences de suivi pour organiser des atomes dans des tubes plus épais et les laisser se déplacer entre différents tubes pour voir si cela peut «dégeler» leurs vitesses.