Un regard approfondi sur le monde quantique dipolaire

Dans le cadre d’une nouvelle collaboration, deux groupes de recherche, l’un dirigé par Francesca Ferlaino et l’autre par Markus Greiner, ont uni leurs forces pour développer un microscope à gaz quantique avancé pour la matière quantique magnétique. Cet instrument de pointe révèle des phases quantiques dipolaires complexes façonnées par les interactions, comme indiqué dans Nature.

Les atomes magnétiques sont au cœur des recherches de Ferlaino sur la matière quantique inexplorée. À l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences et au Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck, la physicienne expérimentale et son équipe ont réalisé le premier condensat d’erbium de Bose-Einstein en 2012. En 2019, elle a dirigé l’une des équipes observant pour la première fois les états supersolides dans les gaz quantiques ultrafroids des atomes magnétiques.

À l’Université de Harvard, le physicien expérimental allemand Markus Greiner est le pionnier des techniques optiques permettant l’observation directe d’atomes individuels. Grâce à la microscopie à haute résolution, l’équipe de Harvard a dévoilé de nombreux phénomènes exotiques dans des atomes ultrafroids fortement corrélés, comme les phases antiferromagnétiques en 2017.

Il y a quelques années, Ferlaino et Greiner ont combiné leur expertise pour construire un microscope à gaz quantique adapté aux atomes magnétiques, dans le but d’accéder à de nouveaux phénomènes. “En raison de leur nature magnétique prononcée, ces particules exercent une influence sur de plus grandes distances que leurs homologues non magnétiques, et leurs effets sont systématiquement directionnels”, note Ferlaino. “Les propriétés uniques de ces particules ouvrent la voie à un régime d’interaction dans les gaz quantiques inobservable dans les expériences traditionnelles, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives sur le comportement du solide.”

De nouveaux solides quantiques observés

Les équipes de recherche ont collaboré pendant des années pour développer et construire deux nouvelles expériences, une en Autriche et une aux États-Unis. Actuellement, Harvard et Innsbruck sont équipées de microscopes à gaz quantiques adaptés aux gaz quantiques dipolaires.

Cette technologie est combinée à des faisceaux laser pour créer un cristal de lumière où se nichent les atomes d’erbium, refroidis jusqu’au zéro absolu. Les champs magnétiques réorientent ces particules, permettant ainsi de contrôler leurs interactions dipolaires à longue portée. Avec la lentille du microscope nichée dans la cellule à vide en verre, l’ensemble évoque l’imagerie d’un navire à l’intérieur d’une bouteille.

Dans Nature, le groupe de Greiner présente désormais les premiers résultats des travaux expérimentaux sur la nouvelle plateforme. Les chercheurs ont démontré la capacité de produire des solides quantiques dipolaires variés à partir de phases superfluides en ajustant les interactions entre les particules. Des motifs distincts se manifestent au microscope, allant des rayures et des damiers aux lignes diagonales. “Dans ce contexte, les interactions dipolaires à longue portée entre les particules déterminent la phase de la matière quantique, le pouvoir organisateur du cristal lumineux étant brisé”, explique Ferlaino.

Au cœur de cette avancée se trouvent de nombreuses années de collaboration étroite entre deux groupes de recherche expérimentale à travers un océan. Le travail commun facilite désormais les simulations de systèmes quantiques avec des interactions dipolaires à longue portée, jetant ainsi les bases d’une nouvelle compréhension de la matière quantique. “De telles simulations offrent des perspectives intrigantes sur les phénomènes régis par ces interactions, comme le ferromagnétisme”, note Ferlaino.