Le gaz "unidimensionnel" et le pendule de Newton

Des physiciens américains ont élaboré pour la première fois un gaz qui n'atteint jamais un état d'équilibre. David Weiss et ses collaborateurs de l'université de Penn State ont exécuté leur expérience sur un gaz de Bose unidimensionnel composé d'atomes de rubidium ultra froids.

Selon les chercheurs, le gaz se comporte comme un "pendule de Newton quantique", un équivalent au niveau atomique du gadget de bureau composé de cinq billes d'acier suspendues côte à côte à un barreau droit. Leurs travaux pourraient permettre de mieux comprendre le comportement des systèmes multi particules et être utilisé dans des applications pratiques comme les détecteurs de force ultra sensibles.


Lorsqu'on introduit deux gaz dans un récipient, ils finissent par se mélanger complètement en raison des collisions entre les atomes. Le système atteint bientôt son état le plus probable, que l'on appelle l'équilibre thermodynamique. Cependant, Weiss et ses collègues ont constaté qu'un gaz confiné à une seule dimension se comporte différemment et n'atteint jamais cet équilibre.

Le système de Weiss se compose d'une trappe optique unidimensionnelle utilisant des faisceaux laser qui interfèrent en formant un treillis de milliers de trappes tubulaires parallèles. Les physiciens y ont introduit un gaz contenant des dizaines de milliers d'atomes de rubidium refroidis pratiquement au zéro absolu (ce gaz ultra froid est appelé Condensat de Bose-Einstein, dans lequel tous les atomes possèdent le même état quantique).

Chaque tube contient environ 150 atomes, confinés sur une seule dimension en raison de la forme du tube. Les chercheurs ont ensuite utilisé d'autres lasers pour mettre les atomes piégés en mouvement afin qu'ils oscillent tous avec une amplitude à peu près identique. Bien que les atomes soient alors entrés en collision, comme cela se produit dans un gaz normal, la distribution de leur quantité de mouvement s'est conservée, chaque atome continuant à osciller avec la même amplitude qu'au début de l'expérience, et ceci même après des milliers de collisions.

Selon l'équipe, le système se comporte comme un pendule de Newton quantique. Dans sa version classique, une bille à une extrémité heurte la suivante sur la ligne, mais seule la dernière bille à l'autre extrémité de la ligne se déplace ; toutes les autres restent immobiles (voir la figure ci-dessous à gauche et son animation associée). Le pendule de Newton quantique contient des centaines d'atomes, non pas seulement cinq billes, et au lieu de rebondir les uns contre les autres, ils passent les uns à travers les autres, mais la physique fondamentale est identique. Une autre différence avec un gaz classique est que la majorité des atomes oscillent dès le début, ce qui peut être également réalisé avec le pendule de Newton classique (voir la figure ci-dessous à droite et son animation associée).


"Un tel comportement, où les quantités de mouvement ne changent pas quoique leur valeur soit permutée parmi les billes, ne se produit que dans le cas unidimensionnel", explique Weiss. "Les collisions entre les particules en deux ou trois dimensions conduisent rapidement à l'état homogène familier de l'équilibre thermique".

L'étude pourrait aider à expliquer la façon dont l'équilibre thermodynamique est atteint dans des systèmes composés d'une multitude de particules, selon Weiss. Les atomes confinés sur une dimension pourraient également servir de capteurs de force précis parce qu'ils seraient insensibles aux collisions.

Weiss ajoute que le nouveau système est "intégrable", voulant dire par là qu'il peut être décrit par des équations du mouvement qui prédisent son état futur quand celles-ci sont résolues dans un sens, et déterminent son passé quand elles sont résolues dans le sens opposé. "Très peu de systèmes faisant intervenir de nombreux corps sont connus pour être intégrables, et c'est la première fois que l'un d'entre eux peut-être observé expérimentalement", ajoute-t-il.

Légende de l'illustration "Pendule de Newton quantique"
Premier cycle de l'oscillation. Les atomes sont confinés sur une dimension (1D) dans 3000 tubes parallèles, avec une moyenne de 110 atomes par tube. Chaque atome heurte la moitié des autres atomes par deux fois à chaque cycle de 13 ms, en rebondissant parfois, en passant les uns à travers les autres les autres fois. Le rayon de chaque tube dans le faisceau est de 40 nm. Les tubes sont espacés de 385 nm et ne sont pas individuellement résolus. Le faisceau de tubes est visualisé de côté. L'extension maximum constatée du gaz unidimensionnel est d'environ 30 microns (pour une longueur possible de 1 mm) lors des oscillations. Les billes en acier dessinées en haut de l'illustration montrent l'analogie avec le pendule de Newton classique.