Des physiciens ont découvert que des nuages ​​d’atomes extrêmement froids peuvent former des « tornades quantiques »

Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology ont réussi à créer des « tornades quantiques » dans des nuages ​​d’atomes extrêmement froids, selon dernier papier Publié dans la revue Nature. C’est le premier direct, Sur site Documentant l’évolution du gaz quantique à rotation rapide, et selon les auteurs, le processus est similaire à la façon dont les effets de la rotation de la Terre peuvent donner lieu à des modèles météorologiques à grande échelle.

Les scientifiques du MIT étaient intéressés par l’étude de la soi-disant Fluides à effet Hall quantique. Découverts pour la première fois dans les années 1980, les fluides Hall quantiques sont constitués de nuages ​​d’électrons flottant dans des champs magnétiques. Dans le système classique, les électrons se repoussent et forment un cristal. Mais dans les fluides Hall quantiques, les électrons imitent le comportement de leurs voisins – preuve d’une corrélation quantique.

« Les gens ont découvert toutes sortes de propriétés étonnantes, et la raison en est que, dans un champ magnétique, les électrons sont (classiquement) gelés sur place – toute leur énergie cinétique est désactivée, et ce qui reste sont purement des interactions », Le co-auteur Richard Fletcher a déclaré :, physicien au Massachusetts Institute of Technology. « Alors, tout ce monde est apparu. Mais c’était très difficile à remarquer et à comprendre. »

Fletcher et ses collègues ont donc pensé pouvoir simuler ce comportement inhabituel des électrons en utilisant des nuages ​​de gaz quantiques ultra-froids. connu comme Condensateurs Bose-Einstein (BEC)Ces gaz sont nommés en l’honneur d’Albert Einstein et du physicien indien Satyendra Bose. Dans les années 1920, Bose et Einstein ont prédit la possibilité que la nature ondulatoire des atomes permettrait la propagation et les interférences s’ils étaient suffisamment regroupés.

À des températures normales, les atomes agissent comme des boules de billard et rebondissent les uns sur les autres. Baisser la température réduit sa vitesse. Si la température baisse suffisamment (un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu) et que les atomes sont assez denses, les ondes de différentes matières pourront se « sentir » les unes les autres et se coordonner comme si elles étaient un grand « super atome ». « 

Les premiers BEC ont été Créé en 1995En quelques années, plus d’une trentaine d’équipes ont répliqué l’expérience. la Découverte du lauréat du prix Nobel Il a lancé une toute nouvelle branche de la physique. BEC Les scientifiques ont géré Pour étudier l’étrange petit monde de la physique quantique comme s’ils le regardaient à travers une loupe, car le BEC « amplifie » les atomes de la même manière qu’un laser amplifie les photons.

Les gaz atomiques ultrafroids sont bons pour simuler les électrons dans les solides, mais ils manquent de charge. Cette neutralité peut rendre difficile la simulation de phénomènes tels que l’effet Hall quantique. La mise en place d’un tel régime neutre est un moyen de surmonter cet obstacle.

« Nous avons pensé : ‘Faisons en sorte que ces atomes froids se comportent comme s’ils étaient des électrons dans un champ magnétique, mais nous pouvons contrôler avec précision' » Le co-auteur Martin Zwierlein a déclaré :Il est également physicien au Massachusetts Institute of Technology. « Ensuite, nous pouvons visualiser ce que font les atomes individuels et voir s’ils sont soumis à la même physique de la mécanique quantique. »

À l’aide d’un piège laser, les scientifiques du MIT ont refroidi environ un million d’atomes de sodium gazeux. Les atomes refroidis sont maintenus en place par un champ magnétique. La deuxième étape est le refroidissement par évaporation, dans lequel un réseau de champs magnétiques conspire pour repousser les atomes les plus chauds afin que les atomes les plus froids puissent se rapprocher plus étroitement. Le processus fonctionne de la même manière que le refroidissement par évaporation avec une tasse de café chaud : les atomes les plus chauds montent au sommet du piège magnétique et « sautent » sous forme de vapeur.

Ces mêmes champs magnétiques peuvent faire tourner les atomes à l’intérieur du piège d’environ 100 tours par seconde. Ce mouvement a été capturé avec une caméra CCD, grâce à la fluorescence des atomes de sodium en réponse à la lumière laser. Les atomes projettent une ombre qui peut ensuite être observée à l’aide d’une technique appelée imagerie par absorption.

En 100 millisecondes, les atomes se sont transformés en une structure longue et fine en forme d’aiguille. Contrairement à un liquide conventionnel (comme la fumée de cigarette), qui reste plus léger, un liquide quantique a des limites quant à la fluidité d’un liquide. Les chercheurs du MIT ont découvert que les structures en forme d’aiguille formées dans leurs gaz ultra-froids ont atteint ce point. Les chercheurs ont décrit leurs gaz quantiques de spin et les découvertes connexes l’année dernière Dans la science.

Cette dernière recherche va encore plus loin dans l’expérience du MIT en examinant comment un fluide en forme d’aiguille évolue dans des conditions de spin pur et d’interactions atomiques. Résultat : une instabilité quantique est apparue, faisant vibrer l’aiguille du liquide, puis l’interrupteur. Finalement, le liquide s’est cristallisé en une série de gouttes tournantes ressemblant à des tornades – un cristal quantique entièrement formé à partir d’interactions atomiques dans le gaz en rotation. L’évolution est étonnamment similaire aux formations appelées Kelvin Helmholtz s’est retiré, où le nuage homogène commence à former des doigts successifs en raison de la différence de vitesse (vitesse et direction) entre les courants de vent dans l’atmosphère.

« Ce développement est lié à l’idée de la façon dont un papillon en Chine pourrait créer une tempête ici, à cause de l’instabilité qui a causé les perturbations », Zwerlin a dit. « Ici, nous avons une météo quantique : le liquide, juste à cause de son instabilité quantique, se décompose en cette structure cristalline à partir de nuages ​​et de tourbillons plus petits. Et c’est une percée de pouvoir voir ces effets quantiques de première main.

Apparemment, ce comportement a été prédit dans article précédent par d’autres physiciens, que l’équipe du MIT vient de découvrir. Il existe certaines applications pratiques potentielles de cette recherche, notamment les capteurs de rotation qui sont très sensibles à la navigation maritime. sous-marins Dépend emploi gyroscopes à fibre optique Pour détecter un mouvement de rotation lorsqu’il est immergé, produisant un motif d’interférence d’alarme. Les atomes se déplacent plus lentement que la lumière, de sorte que le capteur de tornade quantique serait plus sensible – et peut-être suffisamment sensible pour mesurer les changements subtils dans la rotation de la Terre.

DOI : Nature, 2022. 10.1038 / s41586-021-04170-2 (À propos des DOI).