Des physiciens observent une « mer de Fermi fractionnaire » dans des atomes ultrafroids

Des physiciens travaillant avec des atomes de césium ultrafroids ont décrit un état quantique exotique qu’ils appellent une « mer de Fermi fractionnaire », une configuration qui semble préserver une forme inattendue d’ordre même après avoir éloigné le système des conditions habituellement associées à une mer de Fermi conventionnelle.

Le travail, présenté comme publié dans Physical Review Letters, provient d’une équipe expérimentale dirigée par Hanns-Christoph Nägerl, de l’Université d’Innsbruck, et de travaux théoriques menés par Alvise Bastianello, du CNRS et de l’Université Paris-Dauphine. Il porte sur une question fondamentale de la physique quantique : que se passe-t-il lorsque les chercheurs poussent volontairement des systèmes à plusieurs particules au-delà des configurations de basse énergie que les théories classiques décrivent le plus facilement ?

Modifier les interactions, plutôt que simplement chauffer un gaz

À des températures suffisamment basses, les fermions remplissent les états quantiques selon des règles fondées sur le principe d’exclusion de Pauli. Les électrons sont des fermions, comme de nombreux atomes dans les bonnes conditions. Leur incapacité à occuper tous le même état quantique donne naissance au schéma d’occupation caractéristique appelé mer de Fermi.

L’expérience ne consiste pas simplement à chauffer un gaz atomique et à observer le désordre qui en résulte. Les chercheurs modifient plutôt à plusieurs reprises l’interaction entre les atomes de césium ultrafroids, en alternant entre des régimes fortement répulsifs et fortement attractifs. Cette excitation contrôlée conduit les atomes dans un état fortement excité, où l’on pourrait s’attendre à ce que les corrélations se brouillent et que le système perde la structure reconnaissable d’une mer de Fermi.

Selon le récit fourni de la recherche, ce n’est pas ce que l’équipe a observé. Les atomes se sont réorganisés en une configuration inhabituelle dotée d’un ordre caché, malgré l’énergie extrême injectée par les variations répétées de l’intensité de l’interaction. Les chercheurs appellent cette configuration une mer de Fermi fractionnaire.

Pourquoi le résultat est remarquable

Les systèmes quantiques à plusieurs corps sont difficiles à décrire, car chaque particule suit les règles quantiques tout en influençant les autres par des interactions. Les modèles sont souvent plus faciles à traiter près de l’équilibre, lorsqu’un système s’est stabilisé dans une configuration stable ou de basse énergie. Les systèmes fortement excités sont plus difficiles : ils peuvent développer des corrélations qui ne sont ni aléatoires ni facilement décrites par les modèles d’équilibre classiques.

La mer de Fermi fractionnaire est remarquable, car elle suggère qu’un état organisé peut survivre dans ce territoire inhabituel. La source fournie présente l’observation comme un défi aux théories quantiques établies et affirme que les résultats théoriques ont fourni les bases du travail expérimental. Cela ne démontre pas à lui seul une nouvelle technologie et ne remplace pas la théorie standard des fermions. Il offre toutefois aux chercheurs un nouvel environnement pour étudier la coexistence de l’ordre, des interactions et de l’excitation.

Le résultat illustre également l’intérêt des expériences sur les atomes ultrafroids. En refroidissant les atomes et en réglant leurs interactions, les physiciens peuvent construire des analogues très contrôlés de systèmes quantiques complexes. Plutôt que de dépendre uniquement de matériaux naturels, ils peuvent modifier un paramètre, répéter une séquence et comparer le résultat à la théorie. Dans cette expérience, les atomes de césium sont devenus une plateforme pour étudier un état difficile à isoler dans un solide ordinaire.

Une autre manière de concevoir une mer de Fermi

Qualifier l’état de « fractionnaire » indique qu’il diffère de l’image familière de fermions remplissant progressivement les niveaux d’énergie disponibles. La source décrit le comportement obtenu comme extérieur aux systèmes quantiques traditionnellement étudiés et évoque des quasiparticules exotiques que les chercheurs ont provisoirement surnommées de possibles « super-fermions ».

Les quasiparticules ne sont pas nécessairement de nouvelles particules élémentaires. Elles servent à décrire le comportement collectif au sein d’un matériau ou d’un système à plusieurs corps. Une perturbation se déplaçant dans un solide peut, par exemple, se comporter à certains égards comme une particule, bien qu’elle résulte du mouvement coordonné de nombreux constituants. Le vocabulaire des quasiparticules possibles décrit donc ici l’état collectif des atomes excités, et non la découverte d’un nouveau constituant fondamental de la nature.

Cette distinction est importante. La valeur immédiate de l’étude est scientifique : elle élargit l’ensemble des états quantiques pouvant être préparés et examinés dans des conditions contrôlées. Il faudra de futurs travaux théoriques et expérimentaux pour déterminer la robustesse de l’état, les mesures qui caractérisent le mieux son ordre et la possibilité de créer des phénomènes apparentés avec d’autres atomes ou d’autres protocoles d’excitation.

Et maintenant ?

La recherche s’inscrit dans un effort plus large visant à comprendre la matière quantique hors équilibre. Si les systèmes peuvent conserver une structure cachée tout en étant continuellement conduits à travers des régimes d’interaction radicalement différents, les physiciens disposeront peut-être d’un éventail d’états à étudier plus vaste que ne le laisse penser l’intuition fondée sur les basses énergies.

Pour l’instant, le résultat essentiel est plus limité, mais saisissant : faire alterner à plusieurs reprises des atomes de césium ultrafroids entre attraction et répulsion n’a pas simplement effacé leur organisation. Dans l’expérience rapportée, cela a conduit à un état fortement excité doté d’une structure quantique inhabituelle et ordonnée. La mer de Fermi fractionnaire devient ainsi une nouvelle cible utile pour la mesure expérimentale et l’explication théorique.

Cet article s’appuie sur un reportage de Science Daily. Lire l’article original.