Phénomènes quantiques: l'hydrodynamique généralisée validée dans un nouveau cas

Publié par Redbran le 02/11/2021 à 13:00
Source: CNRS INC
La complexité des phénomènes quantiques les rend très difficiles à modéliser. La théorie de l'hydrodynamique généralisée simplifie la description des gaz quantiques unidimensionnels, mais n'a pas encore été pleinement validée. Des chercheurs du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) théorique (LPCT, CNRS/Université de Lorraine) et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'État de Pennsylvanie (États-Unis) ont prouvé qu'elle fonctionnait sur des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) unidimensionnels à interactions fortes. Publiés dans la revue Science, ces résultats révèlent donc un nouveau cas d'application de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de l'hydrodynamique généralisée.


Les courbes rouges représentent la distribution des "rapidités" des atomes mesurées dans l'expérience. Les rapidités correspondent aux vitesses des atomes après que toutes les collisions entre atomes ont eu lieu. Les courbes bleues sont la prédiction de l'hydrodynamique généralisée, en excellent accord avec les mesures.
© Malvania et al.

Les scientifiques qui travaillent sur des systèmes quantiques sont confrontés à un problème récurrent: il est très difficile de modéliser des phénomènes quantiques, surtout quand ils ont de nombreux degrés de liberté, sans ordinateurs quantiques. Or de telles machines sont encore bien trop rares et trop peu puissantes pour accomplir ces tâches. Dans le cas des gaz quantiques unidimensionnels, la théorie de l'hydrodynamique généralisée considère ces systèmes comme un milieu continu, sans suivre le mouvement individuel des particules. Cette idée, apparue en 2016, peut être comparée au fait de décrire le comportement de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) en la prenant pour un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...), et non comme la somme des molécules qui la composent, ce qui facilite grandement la modélisation. Jusqu'à présent, la validité de l'hydrodynamique généralisée n'avait été constatée que pour des gaz unidimensionnels où les atomes interagissent faiblement.

Des chercheurs du Laboratoire de physique et chimie théorique (LPCT, CNRS/Université de Lorraine), ayant déjà participé aux travaux précédents, et de l'université d'État de Pennsylvanie (États-Unis) ont réalisé la première démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de l'hydrodynamique généralisée pour des interactions fortes entre les atomes.

Pour cette expérience, des atomes ont été refroidis à des températures extrêmement basses par des lasers, puis piégés dans un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de tubes si fins qu'on ne s'y déplace que dans une seule dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...). Chacun de ces tubes parallèles est isolé des autres et contient une dizaine d'atomes, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un gaz. Ces atomes, qui bougent et s'entrechoquent comme une série de billes coincées dans une gouttière qui n'en laisserait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) qu'une seule à la fois, ont été compressés pour que les chercheurs puissent étudier leur détente.

Au lieu d'osciller de plus en plus lentement et de dégager de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) pour revenir à un état d'équilibre, comme il devrait le faire selon les lois de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) de Newton, le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) de gaz a continué de vibrer selon une forme qui permet de mesurer la vitesse (On distingue :) et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) des atomes qui le composent. Ce comportement correspond à celui d'un système quantique et suit parfaitement aux prédictions de l'hydrodynamique généralisée. Ces résultats élargissent ainsi la palette (La Palette est un café-restaurant situé dans le 6e arrondissement de Paris, au croisement...) des situations pouvant être efficacement simulées grâce à l'hydrodynamique généralisée, et éclaircissent la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux...) entre les comportements classiques et quantiques.

Référence:
Neel Malvania, Yicheng Zhang, Yuan Le, Jérôme Dubail, Marcos Rigol & David S. Weiss.
Generalized hydrodynamics in strongly interacting 1D Bose gases
Science 2021
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0147

Contacts:
- Jerôme Dubail - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire de physique et chimie théoriques (LPCT) - jerome.dubail at univ-lorraine.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) - inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC - inc.communication at cnrs.fr
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