UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie – De nouvelles expériences utilisant des gaz unidimensionnels piégés (atomes refroidis aux températures les plus froides de l’univers et confinés de manière à ne pouvoir se déplacer qu’en ligne) correspondent aux prédictions de la théorie récemment développée de « l’hydrodynamique généralisée ». « La mécanique quantique est nécessaire pour décrire les nouvelles propriétés de ces gaz. Mieux comprendre comment ces systèmes à plusieurs particules évoluent au fil du temps est une frontière de la physique quantique. Le résultat pourrait grandement simplifier l’étude des systèmes quantiques qui ont été excités. de l’équilibre. En plus de son importance fondamentale, il pourrait éventuellement éclairer le développement des technologies quantiques, notamment les ordinateurs et simulateurs quantiques, la communication quantique et les capteurs quantiques. Un article décrivant les expériences. par une équipe dirigée par des physiciens de Penn State paraît le 3 septembre dans la revue Science.

Même au sein de la physique classique, où les complexités supplémentaires de la mécanique quantique peuvent être ignorées, il est impossible de simuler le mouvement de tous les atomes dans un fluide en mouvement. Pour approcher ces systèmes de particules, les physiciens utilisent des descriptions hydrodynamiques.

« L’idée de base derrière l’hydrodynamique est d’oublier les atomes et de considérer le fluide comme un continuum », a déclaré Marcos Rigol, professeur de physique à Penn State et l’un des dirigeants de l’équipe de recherche. « Pour simuler le fluide, on finit par écrire des équations couplées qui résultent de l’imposition de certaines restrictions, comme la conservation de la masse et de l’énergie. Ce sont les mêmes types d’équations qui sont résolues, par exemple, pour simuler comment l’air circule lorsque les fenêtres sont ouvertes pour améliorer la ventilation d’une pièce ».

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La matière devient plus compliquée si la mécanique quantique est impliquée, comme c’est le cas lorsque vous voulez simuler des systèmes quantiques à N corps qui sont hors d’équilibre.

« Les systèmes quantiques à plusieurs corps, qui sont constitués de nombreuses particules en interaction, telles que les atomes, sont au cœur de la physique atomique, nucléaire et des particules », a déclaré David Weiss, professeur émérite de physique à Penn State et l’un des leaders de l’équipe de recherche. « Auparavant, sauf à des limites extrêmes, vous ne pouviez pas faire de calcul pour décrire des systèmes quantiques à N corps hors d’équilibre. Cela a changé récemment. »

Le changement a été motivé par le développement d’un cadre théorique connu sous le nom d’hydrodynamique généralisée.

« Le problème avec ces systèmes quantiques à plusieurs corps unidimensionnels est qu’ils ont tellement de limitations sur leur mouvement que vous ne pouvez pas utiliser de descriptions hydrodynamiques régulières », a déclaré Rigol. « L’hydrodynamique généralisée a été développée pour suivre toutes ces limitations. »

Jusqu’à présent, l’hydrodynamique généralisée n’avait été testée expérimentalement que dans des conditions où la force des interactions entre les particules était faible.

« Nous avons entrepris de tester davantage la théorie, en examinant la dynamique des gaz unidimensionnels avec une large gamme de forces d’interaction », a déclaré Weiss. « Les expériences sont extrêmement bien contrôlées, de sorte que les résultats peuvent être comparés avec précision aux prédictions de cette théorie.

L’équipe de recherche utilise des gaz unidimensionnels d’atomes en interaction qui sont initialement confinés dans un piège très peu profond à l’équilibre. Puis, tout à coup, ils multiplient par 100 la profondeur du piège, forçant les particules à s’effondrer au centre du piège, provoquant une modification de leurs propriétés collectives. Tout au long de l’effondrement, l’équipe a mesuré avec précision ses propriétés, qu’elle peut ensuite comparer avec les prédictions de l’hydrodynamique généralisée.

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« Nos mesures correspondaient à la prédiction de la théorie à travers des dizaines d’oscillations de pièges », a déclaré Weiss. « Il n’existe actuellement aucun autre moyen d’étudier les systèmes quantiques hors équilibre pendant de longues périodes avec une précision raisonnable, en particulier avec de nombreuses particules. L’hydrodynamique généralisée nous permet de le faire pour certains systèmes comme celui que nous avons testé, mais son application générale reste à déterminer. »

En plus de Weiss et Rigol, l’équipe d’enquête comprend Neel Malvania, Yicheng Zhang et Yuan Le à Penn State ; et Jérôme Dubail à l’Université de Lorraine en France. La recherche a été financée par la US National Science Foundation et le US Army Office of Research.