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|  Posté le 21-06-2006 à 02:13:10    
| Une boîte optique pour piéger et étudier les gaz quantiques
Cest un progrès important pour la physique de létat solide. Deux équipes indépendantes viennent de publier presque simultanément, dans la même revue, des résultats sur le comportement dun mélange de bosons* et de fermions* au sein dun cristal virtuel composé dune matrice optique en 3D. Un fantastique laboratoire pour modéliser la matière.
La matière est constituée datomes, eux-mêmes répartis en fermions et bosons caractérisés par leur moment de spin*. A une température proche du zéro absolu, les deux adoptent un comportement vraiment différent : les fermions obéissent au principe dexclusion de Pauli, et ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique ; les bosons nont pas cette contrainte et peuvent à très basse température se trouver dans le même état quantique, formant ainsi un gaz quantique parfait dans un phénomène appelé condensation de Bose-Einstein. La production datomes froids, à partir de 1995, a permis la mise en évidence de ce phénomène. La notion de gaz de fermions existe également.
Lintérêt de ces expériences réside dans la compréhension des phénomènes qui régissent la matière. Depuis 1995, les phénomènes quantiques ont pu être étudiés largement grâce à ces gaz quantiques. Des expérimentations consistant à piéger un gaz quantique dans un cristal "optique" constitué de façon artificielle à laide dinterférences entre des faisceaux laser, permettent de mieux contrôler les phénomènes et donc de les étudier plus finement. De telles "boîtes" optiques à une, puis trois dimensions, ont déjà permis de travailler sur la matière composée dune seule espèce datomes. Le temps est venu de passer aux gaz quantiques "impurs" en mélangeant fermions et bosons.
Piéger un mélange de rubidium et de potassium :
Première expérience (1) : l'Institut für Laserphysik de Hambourg a mélangé des atomes de rubidium 87 (87Rb), qui sont des fermions, et des atomes de potassium 40 (40K), des bosons. Lensemble est porté à une température de quelques centaines de nanokelvins, placé dans un maillage optique, puis libéré brusquement afin de voir le comportement des bosons et des fermions lorsque le réseau optique est désactivé. Alors que théoriquement les bosons devraient se rassembler pour constituer un isolateur Mott (non conducteur sauf dans certaines conditions), la présence de fermions, qui ne modifie pas la localisation des bosons, influence toutefois cette dernière en créant un décalage (voir Fig.1), et fait du gaz quantique un équivalent aux supraconducteurs à basse température. Lanalogie est frappante : le réseau dinterférences laser joue le rôle du cristal, et les fermions se comportent comme des électrons responsables du courant.
Seconde expérience (2) , lETH en Suisse (Eidgenössische Technische Hochschule), à Zürich, a réalisé une performance similaire mais avec une méthode de refroidissement des atomes de potassium différente.
Bien que les dispositifs expérimentaux soient proches, les deux équipes divergent dans linterprétation des résultats : pour les Allemands, il sagit détudier le couplage entre fermions et bosons, alors que les Suisses sintéressent au changement de comportement des bosons en présence de fermions. Dans les deux cas, une chose est sûre : "la présence dimpuretés est importante pour comprendre le comportement de la matière condensée", explique léquipe de Hambourg. De telles expérimentations ouvrent de nouveaux champs grâce à ce laboratoire optique d'un nouveau genre. Et les conséquences peuvent largement déborder sur d'autres domaines, comme les systèmes biologiques.
1- Phys. Rev. Lett. 96 180403. Localization of Bosonic Atoms by Fermionic Impurities in a Three-Dimensional Optical Lattice, Institut für Laserphysic, Hamburg, Germany
2- Phys. Rev. Lett. 96 180402. Bose-Fermi Mixtures in a Three-Dimensional Optical Lattice, Institute of Quantum Electronics, ETH Zürich
 A gauche, une représentation de réseau optique simulant un cristal dans lequel on piège des bosons "purs" (en haut, de couleur rouge) et des bosons avec "impuretés", des fermions (en bas, de couleur bleue).
A droite, lorsque lon supprime le réseau optique, la localisation des bosons évolue. La présence de fermions ne modifie pas cette localisation, mais linfluence en créant un décalage.
Crédits : Institut für Laserphysik de Hambourg
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Petit lexique :
- bosons : un boson est une particule de spin entier, il obéit à la statisque de Bose-Einstein. Les photons, les gluons, les W, le Z0 et le Higgs sont des bosons. A une température proche du zéro absolu, les bosons peuvent se trouver dans le même état quantique, formant ainsi un gaz quantique parfait.
- fermions : un fermion est une particule de spin demi-entier, il obéit à la statistique de Fermi-Dirac. Les leptons et les quarks sont des fermions. Les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli, et ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique.
- spin : le spin d'une particule est son moment angulaire intrinsèque. Le spin est une propriété quantique, il ne peut prendre que des valeurs entières ou demi-entières. Une particule de spin demi-entier est un fermion, une particule de spin entier est un boson.
- condensation de Bose-Einstein : la condensation de Bose-Einstein est l'apparition d'un état particulier d'un gaz quantique à très basse température. Prédite en 1924 par Einstein suite à un travail du physicien indien Bose, elle repose sur le principe selon lequel des bosons (particules de spin entier) peuvent occuper le même état quantique, contrairement aux fermions.
(Source : Futura Sciences)
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