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Voyager au cœur de la matière! Un système quantique chauffé peut servir de sonde universelle pour les états exotiques de la matière

La quantification (l'action ou le processus de division) est le processus consistant à contraindre une entrée issue d'un ensemble continu ou de grande taille de valeurs pour l'inscrire dans un ensemble discret. La découverte de quantités quantifiées a souvent été associée à une révolution de notre compréhension des lois de la nature. Des chercheurs soutenus par l'UE ont maintenant prédit une nouvelle forme de loi de quantification.
Voyager au cœur de la matière! Un système quantique chauffé peut servir de sonde universelle pour les états exotiques de la matière
Depuis les travaux de Pythagore sur les harmoniques jusqu'à l'identification de la série de Balmer en physique atomique, la quantification des phénomènes physiques observables joue un rôle central dans la compréhension et la perception du monde qui nous entoure.

Une recherche soutenue par l'UE a prédit une nouvelle forme de quantification mettant en jeu le taux d'échauffement d'un système quantique soumis à une agitation externe. Publié dans la revue Science Advances, l'article «Probing topology by 'heating': Quantized circular dichroism in ultracold atoms», décrit ce que les auteurs appellent une «manifestation singulière de la topologie».

Pour faire comprendre leurs travaux, les chercheurs utilisent l'analogie suivante: lorsqu'un cube de glace est placé dans un four à micro-ondes, les molécules d'eau sont excitées. Cela entraîne la fusion progressive de la glace qui passe de la phase solide à la phase liquide. Au cours du processus de réchauffement, le nombre de molécules formant la glace diminue progressivement. Ce processus peut être quantifié par un taux de réchauffement. La recherche présentée dans l'article indique que, dans des circonstances particulières, ces taux de réchauffement doivent satisfaire à une loi de quantification élégante et précise.

Ils montrent que lorsqu'un système physique est chauffé de façon contrôlée, des particules sont éjectées de la phase topologique (en analogie directe avec la fonte de la glace évoquée plus haut) et le taux de chauffage correspondant répond de manière démontrable à une nouvelle loi de quantification. Un aspect essentiel de cette nouvelle loi de quantification est qu'elle est dictée par la nature topologique de l'état initial du système.

La nature universelle des propriétés topologiques permet de les étudier dans un grand nombre de domaines, qui vont des gaz atomiques ultrafroids et de la photonique jusqu'aux systèmes mécaniques. Ces domaines complémentaires et variés offrent la possibilité de révéler des propriétés topologiques uniques, comme celles qui découlent de la dissipation artificielle et d'autres interactions contrôlables. On a ainsi exploré des gaz ultrafroids en visualisant le déplacement transversal d'un nuage atomique provoqué par l'application d'une force.

Le projet TOPCOLD s'est déroulé sous la houlette du projet UQUAM, financé par l'UE. Ses recherches ont produit les résultats présentés dans l'article, dont le plus important est que le taux de diminution des bandes de Bloch remplies peut répondre à une loi imposée par la topologie.

L'équipe affirme que les mesures du taux de diminution constituent une sonde puissante et universelle pour l'ordre topologique dans la matière quantique, en raison de l'effet quantifié. Ses résultats soulignent la nécessité d'isoler la réponse brute de tous les effets préjudiciables associés aux conditions de bord, là où entrent en jeu les atomes ultrafroids. Les auteurs proposent d'utiliser une plateforme physique constituée d'un gaz ultrafroid d'atomes piégés dans un réseau optique (un paysage périodique créé par la lumière). Ces configurations sont connues pour constituer une boîte à outils idéale pour l'ingénierie quantique de la matière topologique et la mise en œuvre de nouveaux types de mesures.

Le soutien apporté à TOPOCOLD (Manipulation of topological phases with cold atoms) contribue à identifier des configurations réalistes de réseau optique hébergeant de nouvelles phases topologiquement ordonnées, basées sur les technologies actuellement mises au point pour les expériences sur les atomes froids. UQUAM (Ultracold Quantum Matter), regroupe des chercheurs disposant d'une expertise reconnue et complémentaire dans les domaines de l'optique quantique, de la physique atomique et de la matière condensée, et de l'informatique. Leur objectif est de faire progresser le domaine des technologies quantiques, en tirant parti des avancées les plus récentes dans le contrôle des systèmes atomiques et moléculaires ultrafroids.

Pour plus d'informations, veuillez consulter:
page web du projet TOPOCOLD sur CORDIS
page web du projet UQUAM sur CORDIS
site web du projet UQUAM

Source: D'après des rapports de presse et des informations sur le projet

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