Publié le 28 septembre 2024 07:08:00. Des chercheurs du MIT ont mis au point une méthode innovante pour étudier un phénomène quantique insaisissable, l’effet Hall quantique, en le recréant à une échelle plus accessible grâce à des atomes ultra-froids.
- L’effet Hall quantique, découvert en 1980, décrit le comportement des électrons dans des matériaux bidimensionnels soumis à un champ magnétique.
- L’équipe du MIT a utilisé un nuage d’atomes de sodium ultra-froids pour simuler cet effet, permettant une observation plus aisée des états d’énergie confinés.
- Cette avancée ouvre la voie à une meilleure compréhension des matériaux sans résistance électrique et à l’exploration de nouvelles frontières de la physique quantique.
L’exploration du monde quantique se heurte à une difficulté majeure : les phénomènes qui le régissent se manifestent à des échelles infinitésimales, rendant leur observation directe extrêmement complexe. L’effet Hall quantique, découvert en 1980 par le physicien allemand Klaus von Klitzing, en est un exemple frappant. Cet effet décrit le comportement particulier des électrons lorsqu’ils traversent des matériaux bidimensionnels, tels que le graphène, sous l’influence d’un champ magnétique et à des températures proches du zéro absolu. Dans ces conditions, au lieu de rencontrer une résistance et de se disperser, les électrons forment des états d’énergie stables, confinés sur les bords du matériau.
Cette quantification de la résistance électrique, connue sous le nom d’« état de bord », suscite un intérêt considérable pour la création de matériaux exotiques dépourvus de résistance électrique. Cependant, l’observation directe de ces états se révèle ardue. Comme l’explique Richard Fletcher, professeur adjoint au MIT :
« Ces états se produisent sur des échelles de temps de l’ordre de la femtoseconde (une seconde divisée par un milliard de milliards) et sur des distances nanométriques, ce qui rend leur capture incroyablement difficile. La chose fascinante est de pouvoir observer directement une physique absolument incroyable qui reste normalement cachée dans les matériaux et inaccessible à l’observation directe. »
Pour surmonter cet obstacle, Fletcher et ses collègues du Laboratoire de recherche en électronique du MIT et du Centre MIT-Harvard pour les atomes ultra-froids ont conçu une approche novatrice : recréer le phénomène à une échelle plus grande, en utilisant un nuage d’atomes de sodium ultra-froids à la place des électrons. Selon les chercheurs, cette méthode a permis d’observer la formation des états de bord sur des échelles de temps de l’ordre de la milliseconde et sur des distances de quelques microns – des paramètres expérimentaux beaucoup plus maniables.
Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Physics. La recréation de cette interaction quantique à plus grande échelle a nécessité une ingéniosité expérimentale considérable. L’équipe a utilisé un million d’atomes de sodium ultra-froids, confinés dans un système laser complexe. Pour simuler l’expérience d’un espace plat, ils ont ensuite soumis ces atomes à une force centrifuge, les faisant tourner à grande vitesse, un peu comme des « passagers dans un manège Gravitron ».
Fletcher précise :
« Le piège essaie de pousser les atomes vers l’intérieur, mais la force centrifuge les tire vers l’extérieur. Les deux forces s’équilibrent, de sorte que, du point de vue d’un atome, il a l’impression de vivre dans un espace plat, même si son monde tourne. Il y a également une troisième force, l’effet Coriolis, qui dévie les atomes lorsqu’ils tentent de se déplacer en ligne droite. Ainsi, ces atomes massifs se comportent comme s’ils étaient des électrons dans un champ magnétique. »
Les scientifiques ont ensuite défini le « bord » de ce matériau gazeux en introduisant un laser qui a créé une sorte de barrière autour des atomes. Une fois que les atomes ont atteint cette barrière lumineuse, ils ont commencé à circuler dans une seule direction, reproduisant ainsi le comportement des électrons à l’échelle quantique.
Martin Zwierlein, co-auteur de l’étude, illustre ce phénomène :
« Vous pouvez imaginer que ce sont des billes que vous faites tourner très rapidement dans un bol, et qu’elles continuent de tourner autour du bord, encore et encore. Il n’y a pas de friction. Il n’y a pas de ralentissement, ni d’atomes qui s’échappent ou se dispersent dans le reste du système. C’est simplement un flux magnifique et cohérent. »
Pour vérifier l’absence de résistance de ces atomes, l’équipe a placé des obstacles – tels qu’un point lumineux – sur leur trajectoire. Les atomes les ont contournés sans montrer de résistance mesurable. Grâce à ce substitut fiable au processus quantique, les expériences futures pourront explorer les limites de cette interaction et ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine fascinant de la physique quantique.
