Des physiciens observent avec succès l’échelle Kibble-Zurek dans un superfluide atomique de Fermi

Le mécanisme de Kibble-Zurek (KZ) est un cadre théorique introduit par les physiciens Tom Kibble et Wojciech Zurek. Ce cadre décrit essentiellement la formation de défauts topologiques lors de transitions de phase hors équilibre des systèmes.

Des chercheurs de l’Université nationale de Séoul et de l’Institut des sciences fondamentales de Corée ont récemment observé une mise à l’échelle KZ dans un gaz de Fermi homogène et fortement interactif alors qu’il passait à un superfluide.

Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir la voie à de nouveaux efforts expérimentaux visant à sonder ce cadre physique de longue date.

« La superfluidité et la supraconductivité fascinent les physiciens depuis près d’un siècle », a déclaré à Phys.org Kyuhwan Lee, co-auteur de l’étude. « Ce sont de magnifiques manifestations de la mécanique quantique à grande échelle. »

« En gros, lorsque nous avons de nombreuses particules en interaction qui sont suffisamment froides, elles peuvent s’écouler collectivement sans aucune résistance. Une question naturelle qui en découle est la suivante : comment naissent les superfluides et que se passe-t-il lors de la transition d’une phase normale (dans laquelle ils s’écoulent avec résistance comme la plupart des liquides ordinaires) à une phase superfluide ? »

Dans les années 1980, Zurek a entrepris de s’attaquer expérimentalement à cette intéressante question de recherche, en s’inspirant des récents cadres cosmologiques de Kibble. Zurek a suggéré que l’étude des vestiges de la transition de phase d’un système physique vers un superfluide permettrait de recueillir des informations intéressantes sur la façon dont les superfluides naissent.

« Dans le cadre de notre expérience, les restes sont des vortex quantiques, un flux tourbillonnant avec un moment angulaire quantifié », a déclaré Lee. « La prédiction centrale, désormais également connue sous le nom de mise à l’échelle KZ, est que le nombre de vortex quantiques devrait évoluer comme une loi de puissance par rapport à la vitesse à laquelle vous passez par la transition de phase superfluide.

« Plus la transition de phase est rapide, plus on obtient de tourbillons quantiques en raison du temps réduit dont dispose le superfluide pour s’adapter aux changements externes des paramètres du système. »

Bien que la mise à l’échelle KZ soit applicable à une large gamme de systèmes, notamment les superfluides, les ferroélectriques, les supraconducteurs, les pièges à ions et les réseaux d’atomes de Rydberg, elle a jusqu’à présent été principalement observée dans certains de ces systèmes. L’objectif principal de l’étude menée par Lee et ses collègues était d’observer la mise à l’échelle KZ dans un superfluide de Fermi, ce qui s’est jusqu’à présent avéré particulièrement difficile.

« Le véritable atout ici est que nous avons observé le comportement de mise à l’échelle KZ prédit en utilisant à la fois la température et la force d’interaction comme deux boutons de contrôle distincts », a déclaré Lee.

L’échantillon utilisé par les chercheurs était un nuage atomique de ⁶Les échantillons de lithium ont été refroidis à des températures extrêmement basses (quelques dizaines de nano Kelvin). Leur échantillon avait une configuration unique, qu’ils ont créée à l’aide d’un modulateur spatial de lumière (SLM). Sa configuration consistait en un nuage atomique spatialement uniforme avec une géométrie de disque et un diamètre d’environ 350 µm.

« Pour observer le comportement de mise à l’échelle KZ, nous avions besoin d’un échantillon spatialement uniforme avec une grande surface », explique Lee. « Il fallait qu’il soit uniforme car nous voulions que la transition de phase superfluide se produise simultanément dans tout l’échantillon.

« S’il y a des irrégularités, les transitions de phase se produisent à des moments différents selon les endroits, ce qui rend les observations difficiles à comparer aux prédictions théoriques. Nous voulions également que le télescope soit grand, afin de pouvoir observer un grand nombre de tourbillons quantiques et d’éviter les effets de taille finie. »

Un autre facteur important que les chercheurs ont pris en compte lors de la conception de leur expérience était la possibilité de régler les interactions dans leur système expérimental. Pour régler les interactions interatomiques, ils ont exploité la résonance magnétique de Feshbach entre ⁶Atomes de Li dans leur nuage.

« Cela nous a permis de disposer d’un nouvel outil pour étudier la dynamique de transition de phase superfluide, au lieu d’utiliser uniquement la température comme bouton de commande », a déclaré Lee. « Armés de ces outils passionnants, nous avons éteint soit la température, soit la force d’interaction à travers la transition de phase superfluide à des vitesses variables. »

Que ce soit en modifiant la température de leur système ou la force des interactions entre les atomes, Lee et ses collègues ont observé un comportement d’échelle KZ identique (c’est-à-dire universel) dans leur échantillon sur une large plage dynamique. Leur étude a ainsi permis d’observer avec succès l’échelle KZ dans un superfluide, ce qui était jusqu’alors resté insaisissable.

“En liquide ⁴« Il s’agit d’un autre exemple représentatif d’un système superfluide, l’échelle de temps typique de la dynamique de transition de phase était tout simplement hors de portée avec les trempes de pression mécaniques conventionnelles », a déclaré Lee.

“En liquide ³Il y avait des signatures de génération de vortex quantique, qui étaient rendues possibles par des réactions nucléaires rapides. De nombreux facteurs inconnus ont cependant rendu difficile une comparaison directe avec l’échelle KZ.

« Dans les gaz atomiques ultra-froids, des travaux importants ont été réalisés pour vérifier la génération spontanée de vortex quantiques et dévoiler les propriétés d’échelle statiques et dynamiques, mais la configuration typique de l’échantillon a rendu difficile la capture du comportement d’échelle KZ. »

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs constituent une contribution significative à l’étude de l’échelle KZ dans les superfluides. Leur réalisation la plus notable a été l’observation d’un comportement d’échelle identique, que l’équipe manipule la température ou les interactions dans son échantillon.

« Le concept d’universalité, qui est aujourd’hui même enseigné dans les cours de mécanique statistique de premier cycle, nous permet de comprendre des systèmes complexes d’une manière très « économique », a déclaré Lee. « Il est vraiment étonnant que nous puissions démêler une caractéristique commune dans une dynamique de transition de phase aussi complexe. »

Dans leurs prochaines études, Lee et ses collègues prévoient d’étudier plus en détail le comportement observé au cours de leurs expériences, qui ne peut pas être simplement expliqué par le mécanisme KZ. Leurs futurs efforts pourraient conduire à d’autres observations précieuses, améliorant encore la compréhension de la dynamique des transitions de phase hors équilibre dans les superfluides de Fermi.

« Pour les trempes rapides, nous avons observé une déviation du comportement d’échelle KZ pour les trempes de température et d’interaction », a expliqué Lee. « Un scénario possible pour expliquer cela est ce que l’on appelle le grossissement précoce.

« En termes simples, le grossissement précoce suggère que la dynamique de croissance superfluide initiale (ou précoce) supprime la formation de vortex quantiques pour les extinctions rapides. En utilisant des méthodes d’interférométrie pour mesurer la cohérence de phase, il serait maintenant intéressant d’étudier comment la dynamique de grossissement s’intègre dans le tableau. »

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