Le chaos quantique pour contrôler des atomes ultrafroids

Publié par Adrien le 02/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
La physique quantique autorise le passage de barrières de potentiel classiquement infranchissables par un effet dit effet tunnel. Dans les systèmes chaotiques, cet effet tunnel est profondément modifié. Dans ce contexte, les chercheurs mettent ici en évidence une propriété remarquable de l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon...) prédite en 1994, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de résonances. Ce résultat démontre la possibilité de contrôler finement la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de l'effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de...) grâce au chaos quantique, et ouvre de nouvelles perspectives pour la simulation quantique.

La simulation quantique consiste à utiliser un système quantique pour modéliser des effets quantiques complexes issus de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) condensée ou de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des hautes énergies. Un exemple d'un tel système est la simulation de la conduction électronique dans un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) cristallin grâce à un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) refroidis à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et...) et piégés dans un réseau optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) construit par interférences lumineuses.


Vue dans l'espace des phases (L'espace des phases est un espace abstrait dont les coordonnées sont les variables dynamiques du système étudié.) (x, p) du système quantique d'atomes ultrafroids. L'expérience utilise un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état...) d'atomes de rubidium-87 piégé dans un réseau optique unidimensionnel créé par interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses,...) entre deux faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...) se propageant en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...). Des modulateurs acousto-optiques permettent d'ajuster le réseau en contrôlant l'intensité du laser et la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) entre les faisceaux. La modulation de la profondeur du réseau produit un espace des phases mixte avec des îlots réguliers (orbites fermées bleues sur la figure) entourés d'une mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) chaotique (zone rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) pâle). Le paquet d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) peut être déplacé sur un îlot latéral régulier (par exemple celui de droite, en rouge). Ensuite, les paquets d'ondes font des va-et-vient entre les deux îlots latéraux (probabilité de passage tunnel J), conduisant à deux paquets d'ondes R et L. Le réseau simulé est constitué de la succession des îlots reliés par cet effet tunnel.

La dynamique de ces systèmes quantiques, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme celle des systèmes classiques, peut afficher divers degrés de chaos. Les systèmes chaotiques classiques présentent une sensibilité exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs...) aux conditions initiales si bien que l'évolution de tels systèmes est difficile à prédire: une petite différence au départ peut induire une très grande différence à l'arrivée. En contrepartie, cette instabilité intrinsèque au chaos les rend polyvalents et de manière surprenante, elle peut être exploitée pour amener le système vers un état final à un coût minime. Ce processus est baptisé "contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du chaos". Par ailleurs, les systèmes quantiques sont bien connus pour franchir des barrières de potentiel infranchissables classiquement grâce à l'effet tunnel. Dans un système présentant du chaos, cet effet peut être fortement affecté et conduire à des résonances, c'est-à-dire à de grandes variations du taux de franchissement pour des petites variations de paramètres. Jusqu'à présent, les limites expérimentales rendaient impossible l'observation de ces résonances.

Une collaboration entre théoriciens et expérimentateurs du Laboratoire collisions agrégats réactivité (LCAR, CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier), du Laboratoire de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) (LPT, CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier) et du Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de...) (LPTMS, CNRS/Université Paris-Saclay) vient pour la première fois de démontrer expérimentalement les résonances de l'effet tunnel d'un système quantique chaotique. Les physiciens et physiciennes ont pour cela réalisé un système quantique présentant à la fois des zones régulières et chaotiques en plaçant des atomes ultrafroids dans un réseau optique dont la profondeur est modulée dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Les états quantiques sont soit localisés dans des îlots réguliers, soit étalés dans une mer chaotique (figure). Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...), l'effet tunnel prend place entre les îlots réguliers et est fortement influencé par les états de la mer chaotique. Par un choix précis des paramètres expérimentaux, il est possible de contrôler la position, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'îlots, la taille de la mer chaotique pour observer les résonances induites par le chaos. Ces travaux sont publiés dans la revue Science Advances.

Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour la simulation quantique, notamment pour étudier les effets de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) à longue distance. En effet, ces résonances tunnel, médiées par des états quantiques délocalisés dans la mer chaotique qui entoure tous les sites du réseau, conduisent à des transferts à longue distance à travers le système. Les modèles à longue portée ont été beaucoup étudiés théoriquement en matière condensée, et présentent une riche phénoménologie telle que la multifractalité, la physique vitreuse, la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique — l'effet...) à haute température. Le protocole présenté dans ce travail propose une nouvelle stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) pour émuler de tels modèles avec des atomes froids.

Référence:
Chaos-assisted tunneling resonances in a synthetic Floquet superlattice.
M. Arnal, G. Chatelain, M. Martinez, N. Dupont (DuPont, de son nom complet E.I. du Pont de Nemours et compagnie, est une entreprise américaine, fondée en juillet 1802 à Wilmington, dans le Delaware, par Eleuthère Irénée du Pont de Nemours.), O. Giraud, D. Ullmo, B. Georgeot, G. Lemarié, J. Billy et D. Guéry-Odelin.
Science Advances, paru le 18 septembre 2020.
DOI: 10.1126/sciadv.abc4886

Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL
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