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Des expériences quantiques simulant les dispositifs à état solide

Des scientifiques ont développé un système expérimental pour contrôler le transport dans les gaz atomiques pour faire des analogies avec la physique de l'état solide. Les simulations quantiques ont permis d'éclairer des sujets allant de l'informatique quantique à la structure de l'univers.
Des expériences quantiques simulant les dispositifs à état solide
Les fermions sont des particules quantiques comme les nucléons ou les électrons qui sont les composants de base de la matière. Les comportements des matériaux dépendent de l'interaction de leur nature fermionique, de leur structure cristalline interne et des interactions entre leurs constituants. Cette structure interne complexe reste largement inconnue, mais elle est directement liée à la supraconductivité, au calcul quantique et même à l'organisation de l'univers.

Les gaz atomiques ultrafroids conçus de manière artificielle ont ouvert la voie à de nouvelles expériences explorant les interactions quantiques et la physique quantique des systèmes à grand nombre de corps. Au cours des dernières années, des chercheurs ont réalisé des préparations de gaz de ce type, facilitant l'étude de leur nature fermionique (gaz de Fermi atomiques ultrafroids), ce qui a permis d'étudier des structures quantiques complexes, les transitions entre états et les interactions de spins électroniques.

Les chercheurs ont exploité la simulation quantique à l'aide de gaz de Fermi à forte interaction dans le cadre du projet MIGROS («Microscopy of interacting Fermi-gases: High-resolution imaging and statistical properties»), financé par l'UE. À l'aide de microscopes haute résolution, les chercheurs ont d'abord observé le comportement de petits ensembles d'atomes fermioniques ultrafroids dans un grand nuage, démontrant que deux mesures (fluctuations de spin totales et susceptibilité de spin) ne peuvent être expliquées par des descriptions classiques.

Dans une configuration expérimentale de deux réservoirs connectés par un canal, les chercheurs ont étudié la conduction des fermions émulant le transport d'électrons dans une nanostructure et facilitant les analogies avec la physique de l'état solide. Ils ont pu observer des transitions vers l'état superfluide et la résistance très faible associée à son début, ainsi que les comportements des superfluides sous diverses conditions. La superfluidité est étroitement liée à la supraconductivité et même à la compréhension des étoiles de neutrons et des plasmas quark-gluons.

La manipulation et la visualisation des comportements des gaz de Fermi ultrafroids dans une simulation modèle a ouvert la voie à l'étude du transport de spin dans les systèmes atomiques froids. Les transitions de phase observées présentent des propriétés de transport universelles liées aux concepts les plus fondamentaux de la physique théorique. Ainsi, un nouveau modèle de système expérimental intéressant permet d'envisager la possibilité de tester les théories de la structure de l'univers, notamment la nature de l'espace-temps à proximité d'un trou noir.

Plus près de nous, l'installation permet la simulation quantique non seulement de matériaux, mais aussi de dispositifs constitués de plusieurs composants. Ce développement offre l'espoir d'apporter une nouvelle lumière sur des concepts concernant les ordinateurs quantiques et les machines quantiques.

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