Découvrir la physique globale dans la dynamique des systèmes quantiques

De nouvelles expériences avec des gaz atomiques très froids ont mis en lumière la façon dont tous les systèmes quantiques en interaction évoluent après un afflux soudain d’énergie.

De nouvelles expériences utilisant des gaz unidimensionnels d’atomes très froids révèlent une universalité dans la façon dont les systèmes quantiques composés de nombreuses particules changent au fil du temps après qu’un grand afflux d’énergie ait déséquilibré le système. Une équipe de physiciens de Penn State a montré que ces gaz réagissent instantanément, « évoluant » avec des caractéristiques communes à tous les systèmes quantiques « multicorps » ainsi déséquilibrés. Un article décrivant les expériences a été publié le 17 mai 2023 dans la revue nature.

« Beaucoup des développements majeurs de la physique au cours du siècle dernier ont concerné le comportement des systèmes quantiques avec de nombreuses particules », a déclaré David Weiss, professeur émérite de physique à Penn State et l’un des dirigeants de l’équipe de recherche. « Malgré l’éventail vertigineux de divers phénomènes à « plusieurs corps », tels que la supraconductivité, la superfluidité et le magnétisme, il a été constaté que leur comportement près de l’équilibre est souvent suffisamment similaire pour qu’ils puissent être regroupés en un petit groupe de catégories universelles. En revanche, le comportement des systèmes éloignés de l’équilibre a conduit à quelques descriptions unifiées de ce type. »

De nouvelles expériences avec des gaz atomiques extrêmement froids révèlent la physique universelle dans la dynamique des systèmes quantiques. Yuan Li, étudiante diplômée de Penn State, première auteure de l’article décrivant les expériences, se tient près de l’appareil qu’elle a utilisé pour créer et étudier des gaz unidimensionnels proches du zéro absolu. Crédit : David Weiss, Penn State

Weiss a expliqué que ces systèmes quantiques à plusieurs corps sont des collections de particules, telles que des atomes, qui sont libres de se déplacer les unes par rapport aux autres. Lorsqu’ils sont un mélange suffisamment dense et froid, qui peut varier selon le contexte, la mécanique quantique – la théorie de base qui décrit les propriétés de la nature à l’échelle atomique ou subatomique – est nécessaire pour décrire leur dynamique.

Des systèmes massivement hors d’équilibre sont régulièrement créés dans les accélérateurs de particules lorsque des paires d’ions lourds entrent en collision à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Les collisions entraînent une[{ » attribute= » »>plasma—composed of the subatomic particles “quarks” and “gluons”—that emerges very early in the collision and can be described by a hydrodynamic theory—similar to the classical theory used to describe airflow or other moving fluids—well before the plasma reaches local thermal equilibrium. But what happens in the astonishingly short time before hydrodynamic theory can be used?

“The physical process that occurs before hydrodynamics can be used has been called ‘hydrodynamization,” said Marcos Rigol, professor of physics at Penn State and another leader of the research team. “Many theories have been developed to try to understand hydrodynamization in these collisions, but the situation is quite complicated and it is not possible to actually observe it as it happens in the particle accelerator experiments. Using cold atoms, we can observe what is happening during hydrodynamization.”

The Penn State researchers took advantage of two special features of one-dimensional gases, which are trapped and cooled to near absolute zero by lasers, in order to understand the evolution of the system after it is thrown of out of equilibrium, but before hydrodynamics can be applied. The first feature is experimental. Interactions in the experiment can be suddenly turned off at any point following the influx of energy, so the evolution of the system can be directly observed and measured. Specifically, they observed the time-evolution of one-dimensional momentum distributions after the sudden quench in energy.

“Ultra-cold atoms in traps made from lasers allow for such exquisite control and measurement that they can really shed light on many-body physics,” said Weiss. “It is amazing that the same basic physics that characterize relativistic heavy ion collisions, some of the most energetic collisions ever made in a lab, also show up in the much less energetic collisions we make in our lab.”

The second feature is theoretical. A collection of particles that interact with each other in a complicated way can be described as a collection of “quasiparticles” whose mutual interactions are much simpler. Unlike in most systems, the quasiparticle description of one-dimensional gases is mathematically exact. It allows for a very clear description of why energy is rapidly redistributed across the system after it is thrown out of equilibrium.

“Known laws of physics, including conservation laws, in these one-dimensional gases imply that a hydrodynamic description will be accurate once this initial evolution plays out,” said Rigol. “The experiment shows that this occurs before local equilibrium is reached. The experiment and theory together, therefore, provide a model example of hydrodynamization. Since hydrodynamization happens so fast, the underlying understanding in terms of quasi-particles can be applied to any many-body quantum system to which a very large amount of energy is added.”

Reference: “Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases” by Yuan Le, Yicheng Zhang, Sarang Gopalakrishnan, Marcos Rigol and David S. Weiss, 17 May 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9

In addition to Weiss and Rigol, the research team at Penn State includes Yuan Le, Yicheng Zhang, and Sarang Gopalakrishnan. The research was funded by the U.S. National Science Foundation. Computations were carried out at the Penn State Institute for Computational and Data Sciences.