Particules atomiques avec interactions antagonistes

Des chercheurs de l’Université de Bâle ont montré que les systèmes quantiques peuvent également avoir des interactions antagonistes : un agent attire l’autre, mais l’inverse entraîne une répulsion. De telles interactions pourraient être réalisées en utilisant des atomes froids couplés les uns aux autres.

Dans les cours de physique, nous avons appris que les charges semblables se repoussent, mais que les charges différentes s’attirent. Notez le « l’autre » ici : la charge A attire la charge B et la charge B attire la charge A. Cela semble intuitif et évident.

Cependant, la nature n’est souvent pas si réciproque ; par exemple, lorsque des prédateurs et des proies sont impliqués, le renard est attiré par le lapin et le poursuit, mais le lapin s’enfuit du renard. Tant que le renard n’attrape pas le lapin, il en résulte une sorte de dynamique que l’on peut également observer dans d’autres systèmes d’agents dits actifs tels que les nanoparticules ou les colloïdes, dans lesquels les particules sont finement réparties à l’intérieur d’un milieu.

Les physiciens Tobias Nadolny, le professeur Christoph Bruder et le Dr Matteo Brunelli de l’Université de Bâle ont montré que de telles interactions antagonistes ou opposées (A attire B, B repousse A) pourraient théoriquement exister dans le monde quantique.

Leurs travaux, publiés dans la revue Examen physique Xfournit également une recette pour réaliser des interactions quantiques antagonistes dans la pratique.

Interactions antagonistes dans les systèmes quantiques ouverts

“Il n’était pas clair s’il pouvait y avoir des interactions antagonistes en physique quantique puisque les formules mathématiques aboutissent généralement à une interaction mutuelle ou réciproque”, explique le docteur. étudiant Tobias Nadolny.

Pour créer une situation prédateur-proie de physique quantique, les chercheurs ont eu recours à des systèmes quantiques ouverts. Dans de tels systèmes, l’énergie peut être constamment fournie aux particules quantiques depuis l’extérieur, par exemple sous forme de lumière, ce qui les rend « actives ». De plus, les particules doivent s’influencer mutuellement d’une manière spécifique pour créer une interaction antagoniste.

“Au départ, nous ne savions pas du tout si cela allait fonctionner”, explique le postdoctorant Matteo Brunelli, “et il a fallu de longs calculs pour obtenir le résultat”. Ce résultat était cependant sans équivoque : les particules quantiques peuvent effectivement se comporter comme des renards et des lapins, avec tout ce que cela implique. L’une des conséquences est que le système quantique n’atteint jamais un état de repos statique mais est constamment en mouvement.

Cela peut, par exemple, conduire à la formation de cristaux temporels dans lesquels une dynamique particulière se répète périodiquement sans qu’aucun rythme ne soit imposé de l’extérieur.

“Cela ressemble à un cristal normal, dans lequel la symétrie spatiale est spontanément brisée, provoquant une disposition régulière des atomes, sauf que cet ordre ne se produit pas dans l’espace, mais dans le temps”, explique Brunelli, qui est maintenant menant ses recherches au Collège de France.

Réalisation avec atomes couplés

Selon les chercheurs bâlois, un tel système quantique ouvert pourrait être réalisé à l’aide d’atomes constamment entraînés par la lumière laser. Deux groupes spatialement séparés de ces atomes sont ensuite couplés l’un à l’autre par deux guides d’ondes (tels que des câbles à fibres optiques) de manière à permettre à la lumière de se déplacer uniquement de droite à gauche dans un guide d’ondes et de gauche à droite dans l’autre guide d’ondes. .

Sous certaines conditions, cela peut se traduire par une interaction antagoniste entre les phases des spins atomiques, que l’on peut imaginer comme de petites flèches tournantes : les phases du groupe A (qui nous indiquent à quel point se trouvent les spins dans leur cycle de rotation) veulent s’aligner sur celles du groupe B, alors que les phases du groupe B tentent de différer le plus possible de celles du groupe A.

“Nous espérons que nos résultats inspireront d’autres chercheurs à se pencher sur les systèmes quantiques présentant des interactions antagonistes”, explique Nadolny. Il a déjà en tête quelques applications pratiques. Les connaissances acquises par les chercheurs pourraient par exemple contribuer à la réalisation de mécanismes d’horlogerie particulièrement robustes dans les horloges atomiques.