Physique quantique : un effet étrange prédit il y a 30 ans a maintenant été observé

Le blocage de Pauli, un phénomène quantique qui rend soudainement transparent un gaz quantique dense, a maintenant été observé dans trois expériences indépendantes

Par Léa Grue

Si vous obtenez un nuage de gaz quantique dense suffisamment froid, vous pouvez voir à travers lui. Ce phénomène, appelé blocage de Pauli, se produit à cause des mêmes effets qui donnent aux atomes leur structure, et maintenant il a été observé pour la première fois.

“C’est une prédiction théorique depuis plus de trois décennies”, déclare Amita Deb de l’Université d’Otago en Nouvelle-Zélande, membre de l’une des trois équipes qui ont maintenant vu cela de manière indépendante. “C’est la première fois que cela est prouvé expérimentalement.”

Le blocage de Pauli se produit dans les gaz constitués d’un type de particule appelé fermion, une catégorie qui comprend les protons, les neutrons et les électrons qui composent tous les atomes. Ces particules obéissent à une règle appelée principe d’exclusion de Pauli, qui stipule que deux fermions identiques ne peuvent occuper le même état quantique dans un système donné.

“Le même effet est responsable de la raison pour laquelle vous ne tombez pas à travers le sol”, explique Brian DeMarco de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, qui n’était membre d’aucune des trois équipes qui l’ont repéré. “Cette physique, très difficile à observer, est tout autour de vous et aide à déterminer la structure et la stabilité de la matière.”

Le blocage de Pauli se produit lorsque les fermions d’un gaz sont si étroitement regroupés que tous les états quantiques disponibles sont remplis, sous une forme de matière appelée mer de Fermi. Lorsque c’est le cas, les particules deviennent incapables de se déplacer, de sorte que la lumière ne peut pas leur transmettre d’élan. Parce que la lumière qui est absorbée par les particules ou qui rebondit sur elles donnera de l’élan, la lumière est forcée de briller à travers sans interagir avec le gaz.

“C’est un phénomène très basique, mais c’est une sorte de diable à voir”, explique Yair Margalit du Massachusetts Institute of Technology, membre de l’une des trois équipes. “Vous avez besoin de ces conditions extrêmes pour pouvoir le voir – des densités élevées et des températures ultra-basses – et il est difficile d’obtenir les deux à la fois.”

Les trois groupes ont tous effectué des expériences similaires avec des atomes capturés dans des pièges magnétiques, puis refroidis à près du zéro absolu. Chacun a utilisé un atome différent, mais a trouvé des résultats similaires : la diffusion de la lumière par les gaz était significativement plus faible lorsqu’ils étaient suffisamment froids et denses pour former une mer de Fermi.

« C’est une bonne chose que trois expériences aient été menées en même temps et aient abordé le problème dans des directions différentes », déclare Deb. Les résultats des trois étaient cohérents les uns avec les autres.

La découverte pourrait aider les chercheurs à étudier les atomes dans des états à haute énergie ou excités, qui ont tendance à se désintégrer rapidement. « Imaginez que je prenne un atome excité d’ailleurs et que je le place dans cette mer d’atomes de Fermi. Quand il essaie de redescendre de l’état excité, il n’y a nulle part où aller, donc la durée de vie de cet état est artificiellement améliorée », explique Christian Sanner de l’institut de recherche JILA dans le Colorado, membre de l’une des équipes.

Le phénomène pourrait également être utile dans les ordinateurs quantiques, selon les chercheurs. C’est parce que les atomes utilisés dans certains de ces appareils peuvent être extrêmement sensibles à la lumière entrante, et préparer des parties des ordinateurs dans une mer de Fermi pourrait diminuer cette sensibilité et les aider à maintenir leurs états quantiques plus longtemps, augmentant ainsi la stabilité des machines.

Références de revues : Science, DOI:10.1126/science.abh3483, DOI:10.1126/science.abh3470, DOI:10.1126/science.abi6153

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