Des atomes ultrafroids habillés de lumière simulent des théories de jauge

Des atomes ultrafroids habillés de lumière simulent des théories de jauge

Notre compréhension moderne du monde physique est basée sur les théories de jauge : des modèles mathématiques issus de la physique théorique qui décrivent les interactions entre les particules élémentaires (telles que les électrons ou les quarks) et expliquent mécaniquement quantique trois des forces fondamentales de la nature : les forces électromagnétique, faible et forces fortes. La quatrième force fondamentale, la gravité, est décrite par la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui, bien qu’elle ne soit pas encore comprise dans le régime quantique, est également une théorie de jauge. Les théories de jauge peuvent également être utilisées pour expliquer le comportement quantique exotique des électrons dans certains matériaux ou les codes de correction d’erreurs dont les futurs ordinateurs quantiques auront besoin pour fonctionner de manière fiable, et sont le cheval de bataille de la physique moderne.

Afin de mieux comprendre ces théories, une possibilité est de les réaliser à l’aide de systèmes quantiques artificiels et hautement contrôlables. Cette stratégie est appelée simulation quantique et constitue un type particulier d’informatique quantique. Elle a été proposée pour la première fois par le physicien Richard Feynman dans les années 80, plus de quinze ans après avoir reçu le prix Nobel de physique pour ses travaux théoriques pionniers sur les théories de jauge. La simulation quantique peut être vue comme un jeu LEGO quantique où les physiciens expérimentaux donnent une réalité à des modèles théoriques abstraits. Ils les construisent en laboratoire « brique quantique par brique quantique », en utilisant des systèmes quantiques très bien maîtrisés tels que des atomes ou des ions ultrafroids. Après avoir assemblé un prototype LEGO quantique pour un modèle spécifique, les chercheurs peuvent mesurer ses propriétés très précisément en laboratoire et utiliser leurs résultats pour mieux comprendre la théorie qu’il imite. Au cours de la dernière décennie, la simulation quantique a été intensivement exploitée pour étudier les matériaux quantiques. Cependant, jouer au jeu LEGO quantique avec des théories de jauge est fondamentalement plus difficile. Jusqu’à présent, seule la force électromagnétique pouvait être étudiée de cette manière.

Dans une étude récente publiée dans La natureles chercheurs expérimentaux de l’ICFO Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri et Cesar Cabrera, dirigés par le professeur ICREA de l’ICFO Leticia Tarruell, en collaboration avec Alessio Celi, chercheur théorique du programme Talent de l’Université autonome de Barcelone, ont pu simuler pour la première fois une théorie de jauge autre que l’électromagnétisme, en utilisant des atomes ultrafroids.

Une théorie de jauge pour les photons très lourds

L’équipe s’est attachée à réaliser au laboratoire une théorie de jauge appartenant à la classe des théories de jauge topologiques, différente de la classe des théories de jauge dynamiques à laquelle appartient l’électromagnétisme.

Dans le langage de la théorie de jauge, la force électromagnétique entre deux électrons apparaît lorsqu’ils échangent un photon : une particule de lumière qui peut se propager même en l’absence de matière. Or, dans les matériaux quantiques bidimensionnels soumis à de très forts champs magnétiques, les photons échangés par les électrons se comportent comme s’ils étaient extrêmement lourds et ne peuvent se déplacer que tant qu’ils sont attachés à la matière. De ce fait, les électrons ont des propriétés très particulières : ils ne peuvent traverser que les bords du matériau, dans une direction déterminée par l’orientation du champ magnétique, et leur charge devient apparemment fractionnaire. Ce comportement est connu sous le nom d’effet Hall quantique fractionnaire et est décrit par la théorie de jauge de Chern-Simons (du nom des mathématiciens qui ont développé l’un de ses éléments clés). Le comportement des électrons restreint à un seul bord du matériau devrait également être décrit par une théorie de jauge, en l’occurrence appelée BF chirale, qui a été proposée dans les années 90 mais non réalisée en laboratoire jusqu’à ce que les chercheurs de l’ICFO et de l’UAB l’aient retirée. du congélateur.

Un nuage ultrafroid qui ne se comporte pas comme son image miroir

Pour donner réalité à cette théorie de jauge topologique et la simuler dans leur expérience, l’équipe a utilisé un nuage d’atomes refroidis à des températures d’environ un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. En tant qu’espèce atomique, ils ont choisi le potassium, car l’un de ses isotopes a deux états qui interagissent avec des forces différentes et peut être utilisé comme briques quantiques pour construire la théorie de jauge chirale BF. Ils ont ensuite fait briller la lumière laser pour combiner les deux états en un seul nouveau. Cette technique, appelée « habiller les atomes de lumière », leur a fait acquérir des interactions particulières dont la force et le signe dépendaient de la vitesse du nuage. Enfin, ils ont créé un guide d’ondes optique qui restreindrait le mouvement des atomes à une ligne et ont utilisé des lasers supplémentaires pour donner un coup de pied au nuage et le faire se déplacer à différentes vitesses le long de celui-ci.

Dans des conditions normales, laisser les atomes évoluer librement dans le guide d’onde aurait entraîné l’expansion du nuage. Cependant, avec la lumière d’habillage allumée, les images des atomes prises en laboratoire ont montré un comportement complètement différent. Comme l’explique Ramon Ramos, « dans notre système, lorsque les atomes se déplacent vers la droite, leurs interactions sont attractives et annulent le comportement des atomes essayant de se dilater. Ainsi, ce que vous voyez réellement, c’est que la forme du nuage reste la même. Dans termes techniques, nous avons réalisé un soliton. Mais, si les atomes se déplacent vers la gauche, ces atomes se dilatent comme un gaz normal. L’observation d’atomes qui se comportent différemment lorsqu’ils se déplacent dans des directions opposées démontre que le système est chiral, c’est-à-dire différent de son image miroir. « Lorsque nous avons observé pour la première fois l’effet des interactions chirales dans notre nuage atomique, nous n’essayions pas de simuler une théorie de jauge. Mais les données étaient si belles et intrigantes que nous avons senti que nous avions vraiment besoin de mieux comprendre sa signification. m’a fait changer complètement les plans de recherche de l’équipe », explique Leticia Tarruell.

L’équipe a rapidement compris que leurs observations étaient liées à un article théorique publié dix ans plus tôt, qui proposait d’utiliser une configuration presque identique pour étudier un type modifié d’électromagnétisme. Cependant, les résultats de l’expérience n’ont jamais semblé correspondre à leurs attentes. Comme le rappelle Craig Chisholm, au départ, « les résultats que nous obtenions ne semblaient pas du tout alignés sur la théorie. Le défi était de comprendre dans quel régime il fallait être pour voir réellement l’effet correct venir du bon endroit et pour éliminer l’effet venant du mauvais endroit. »

Pour l’équipe expérimentale, la signification de l’électromagnétisme modifié mentionné dans l’article était également très floue. Il citait des articles de physique mathématique des années 90, qui établissaient le lien avec les théories de jauge utilisées pour décrire l’effet Hall quantique fractionnaire. Cependant, comme le dit Tarruell, « pour les physiciens atomiques expérimentaux comme nous, le contenu de ces travaux était très difficile à saisir, car ils étaient écrits dans un langage de physique mathématique complètement différent du nôtre. C’était vraiment frustrant de savoir que la réponse à nos questions était là, mais nous n’étions pas en mesure de le comprendre ! C’est alors que nous avons décidé que nous devions faire intervenir un théoricien.

Une collaboration expérimentation-théorie très fructueuse

Pour le physicien théoricien Alessio Celi, qui avait travaillé pendant de nombreuses années sur la physique des hautes énergies et la gravité avant de passer à la simulation quantique, la lecture des articles originaux sur la théorie de jauge était facile. En même temps, il pouvait comprendre le régime dans lequel les expériences pouvaient être réalisées et leurs défis. Il s’est assis avec l’équipe expérimentale et, après plusieurs discussions, a proposé un modèle qui pourrait expliquer correctement les résultats expérimentaux. Comme il l’explique, « le principal problème que nous avions était d’entrer dans le bon cadre. Une fois que vous saviez où chercher, cela devenait un problème facile à résoudre. » Remarquablement, il y avait un régime de paramètres où ce modèle était exactement la théorie de jauge topologique proposée 30 ans plus tôt pour décrire le comportement des électrons aux bords des matériaux Hall quantiques fractionnaires.

« Je pense que ce projet nous montre la force des collaborations interdisciplinaires. La combinaison d’outils expérimentaux de la physique des ultra-basses températures et des outils théoriques de la physique des hautes énergies a fait de nous tous de meilleurs physiciens et a abouti à la première simulation quantique d’une théorie de jauge topologique. » conclut Tarruell.

L’équipe est déjà prête à explorer les nouvelles voies de recherche ouvertes par ce projet. Leur objectif est maintenant d’essayer d’étendre les expériences et la théorie d’une ligne à un plan, ce qui leur permettrait d’observer l’effet Hall quantique fractionnaire sans avoir besoin d’un matériau quantique. Cela donnerait accès à des quasi-particules exotiques, appelées anyons, qui pourraient à l’avenir être utilisées pour des formes plus robustes d’informatique quantique.

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