L’observation expérimentale d’un cristal temporel dissipatif dans un gaz de Rydberg

Un cristal temporel dissipatif est une phase de la matière caractérisée par des oscillations périodiques au cours du temps, tandis qu’un système dissipe de l’énergie. Contrairement aux cristaux temporels conventionnels, qui peuvent également apparaître dans des systèmes fermés sans perte d’énergie, les cristaux temporels dissipatifs sont observés dans des systèmes ouverts dans lesquels l’énergie circule librement à l’intérieur et à l’extérieur.

Des chercheurs de l’Université Tsinghua ont récemment observé un cristal temporel dissipatif dans un gaz de Rydberg à forte interaction à température ambiante. Leur article, publié dans Physique de la natureouvre de nouvelles possibilités pour l’étude de cet état fascinant de la matière.

« Les résultats que nous avons obtenus n’étaient absolument pas prévus », a déclaré à Phys.org le Dr Li You, chercheur en charge de l’étude. « Pendant la pandémie de coronavirus il y a trois ans, l’auteur principal, le Dr Xiaoling Wu, alors doctorant, était déterminé à continuer à travailler dans le laboratoire alors que seuls quelques étudiants étaient autorisés à y entrer. À cette époque, notre objectif principal était d’expérimenter l’excitation de Rydberg dans un gaz atomique ultra-froid. »

Alors qu’il poursuivait son doctorat à l’université Tsinghua, le Dr Xiaoling a observé expérimentalement des oscillations de type bruit dans la transmission d’une lumière de sonde traversant la cellule à vapeur thermique utilisée pour verrouiller les lasers sur les transitions atomiques. À l’époque, ni lui ni ses collègues ne comprenaient ce phénomène surprenant, car il n’avait pas encore été prédit ou décrit théoriquement.

« Xiaoling Wu, Zhuqing Wang et le Dr Fan Yang (les trois co-auteurs principaux de notre article), rejoints par le Dr Xiangliang Li de l’Académie des sciences de l’information quantique de Pékin, ont commencé leurs passionnantes explorations de la physique associée à ce phénomène nouvellement découvert, tant du point de vue expérimental que théorique, ce qui a finalement conduit aux travaux rapportés », a déclaré You. « L’instinct et la persévérance de Xiaoling ainsi que la coopération de tous les membres de notre équipe ont été essentiels à cette découverte inattendue qui a depuis été rapportée par de nombreux groupes. »

Les chercheurs ont également été rejoints par le Dr Thomas Pohl, qui a contribué aux aspects théoriques de l’étude. Pohl a travaillé en étroite collaboration avec Yang, qui travaillait alors en post-doctorat avec lui.

« Plusieurs expériences ont déjà été réalisées pour étudier l’interaction laser avec les gaz atomiques de Rydberg, mais aucune n’a rapporté le type de comportement oscillant observé dans la présente expérience », a déclaré Pohl. « L’observation expérimentale était donc une merveilleuse énigme qu’il fallait résoudre pour comprendre son origine et nous convaincre que les oscillations provenaient en effet uniquement des interactions entre les atomes et la lumière. »

Un cristal temporel est essentiellement un état de la matière dans lequel des oscillations temporelles émergent spontanément. Ces observations ressemblent quelque peu à celles observées dans les cristaux normaux, dans lesquels les interactions mutuelles entre les atomes les amènent à s’agencer spontanément selon des modèles spatiaux spécifiques.

« Il existe deux types de cristaux temporels : un cristal temporel discret qui se forme sous l’effet d’une force motrice périodique et un cristal temporel continu qui émerge spontanément dans des conditions indépendantes du temps », a expliqué Yang. « C’est ce dernier cas qui a été observé dans nos travaux. »

La transparence induite électromagnétiquement (EIT) est un phénomène d’optique quantique dans lequel, en raison d’interférences destructives, deux états quantiques fortement couplés établissent une fenêtre de transparence pour la lumière de la sonde sur un troisième état presque résonant. Notamment, les formes des lignes de transmission de la lumière à travers cette fenêtre sont altérées en présence de fortes interactions dipôle-dipôle entre les atomes de Rydberg.

« Dans nos expériences, nous avons adopté une configuration en échelle à trois états, avec un état Rydberg supérieur couplé à un état excité intermédiaire, qui est sondé à partir de l’état fondamental », explique You. « Une configuration aussi simple permet d’étudier la physique hors équilibre pour une multitude de sujets tels que la dynamique épidémique, les incendies de forêt et la criticité auto-organisée, dans un gaz atomique froid ou chaud.

« Nos expériences sont réalisées dans une cellule à vapeur de ⁸⁵Atomes de Rb, avec la lumière de sonde de 780 nm proche de la résonance de la transition |g⟩ = |5S_1/2⟩ à |e⟩ = |5P_3/2⟩, qui est en outre couplé par une lumière de couplage de 480 nm aux collecteurs de Rydberg |nD_J⟩.”

Lors de leurs expériences, You, Pohl et leurs collègues ont éclairé un gaz d’atomes à température ambiante à l’aide d’une lumière laser. Les champs laser appliqués ont excité certains des atomes du gaz dans des états dits de Rydberg, ce qui a renforcé les interactions entre les atomes.

L’interaction forte qui en résulte affecte le processus d’excitation des atomes dans un état de Rydberg, qui à son tour affecte les interactions atomiques, créant un « cercle vertueux » marqué par des interactions de plus en plus fortes entre les atomes. Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que dans certaines conditions spécifiques, cette boucle de rétroaction peut entraîner des oscillations spontanées du nombre d’atomes de Rydberg.

« Il s’est avéré que des conditions spéciales sont nécessaires pour que le champ laser appliqué excite deux types distincts d’atomes de Rydberg, de telle sorte que leur interaction mutuelle puisse provoquer des oscillations qui peuvent être observées directement comme des oscillations de l’intensité de la lumière laser transmise à travers le gaz atomique », a déclaré Pohl. « Cependant, une fois ces conditions remplies, le cristal à temps continu qui en résulte est remarquablement robuste et présente des oscillations auto-entretenues pendant une durée pratiquement indéfinie. »

Une différence essentielle entre l’expérience des chercheurs et celles similaires réalisées dans le passé est qu’ils ont réglé la polarisation de la lumière de couplage, ce qui a conduit |e⟩ vers des états de Rydberg distincts. Les interactions et la compétition entre les multiples composants de Rydberg dans la configuration de l’équipe enrichissent considérablement le diagramme de phase de leur système, permettant à la phase dissipative du cristal temporel d’émerger.

« Des signatures d’un cristal temporel dissipatif ont récemment été observées dans deux autres systèmes, où il émerge du couplage d’atomes à un seul mode de photons dans un résonateur optique ou en raison du couplage d’un seul spin d’électron aux spins nucléaires dans un matériau à l’état solide », a déclaré Yang.

« Notre travail rapporte l’observation d’un cristal temporel continu qui émerge des interactions mutuelles entre particules dans un système à plusieurs corps. En ce sens, la découverte fournit une plate-forme prometteuse pour approfondir notre compréhension du phénomène du cristal temporel qui se rapproche de l’idée originale d’un cristal temporel proposée par Frank Wilczek en 2012. »

L’étude récente de cette équipe de chercheurs met en lumière les conditions requises pour observer le comportement des cristaux temporels dans les gaz d’atomes de Rydberg. Leurs travaux ont déjà inspiré d’autres expériences au sein de leurs laboratoires, dont certaines visaient à contrôler les propriétés des oscillations auto-entretenues qu’ils ont observées.

« De cette façon, la phase cristalline temporelle pourrait être exploitée pour améliorer les performances des capteurs de champ électrique de haute précision, pour lesquels les atomes géants de Rydberg ont déjà trouvé des applications technologiques », explique Pohl.

Vous, Pohl et leurs collègues avez mis au point une plateforme très prometteuse pour étudier les cristaux temporels dissipatifs. Leurs travaux ont déjà ouvert la voie à des expériences dans d’autres laboratoires du monde entier, visant à étudier plus en détail le cristal temporel dissipatif et à contrôler les propriétés des oscillations.

A l’avenir, ces travaux pourraient contribuer au développement de nouveaux dispositifs technologiques. Ils pourraient par exemple permettre aux ingénieurs de concevoir des capteurs plus performants et plus précis basés sur les atomes de Rydberg.

« Dans un avenir proche, nous allons nous concentrer sur la délimitation des différences entre le cycle limite et la symétrie de translation en temps continu brisant le cristal temporel », a déclaré You. « Ce dernier, ou TC, est souvent associé à un système quantique macroscopique avec rigidité et enchevêtrements à plusieurs corps. »

Dans leurs prochaines études, You et ses collègues espèrent observer directement les caractéristiques importantes associées aux corrélations quantiques macroscopiques. Leurs efforts pourraient permettre de recueillir de nouvelles preuves confirmant que ces caractéristiques vont effectivement au-delà de la description de la théorie du champ moyen employée dans leur article.

Vous et vos collègues envisagez également d’étudier les applications possibles du cristal temporel qu’ils ont observé. Par exemple, ils essaieront de déterminer s’il pourrait être utilisé pour développer des dispositifs plus avancés de détection et de métrologie des champs électromagnétiques.

« À l’avenir, il sera important de mieux comprendre les processus microscopiques détaillés qui conduisent aux oscillations spontanées dans un gaz d’atomes à température ambiante », a ajouté Pohl. « Nos découvertes pourraient également aider à identifier les mécanismes de base qui sont généralement nécessaires à l’émergence de cristaux à temps continu dans des systèmes de nombreuses particules en interaction.

« Il sera particulièrement important de comprendre l’importance et le rôle de l’intrication quantique entre les particules, qui pourrait devenir particulièrement possible dans notre système. »

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