Des simulations quantiques d'atomes ultra-froids
La présence d'impuretés est l'un des problèmes les plus intéressants et fondamentaux de la physique à nombreux corps. Dans un solide, un cas bien étudié est celui où l'impureté est couplée aux vibrations du réseau cristallin. L'ensemble constitué de l'impureté et de la distorsion du réseau forme une entité nommée polaron. Il s'agit d'une quasi-particule, qui est importante pour la densité spectrale des supraconducteurs ainsi que pour la magnétorésistance élevée des manganites. Les chercheurs du projet INTERPOL («Interactions between polarons in polarized Fermi gases»), financé par l'UE, se sont intéressés aux impuretés mobiles qui forment des polarons de Fermi. L'interaction des polarons est toujours très débattue, à la limite de deux autres problèmes de la physique quantique à nombreux corps, les condensats de Bose-Einstein et les superfluides de Bardeen, Cooper et Schrieffer. Les scientifiques du projet INTERPOL ont étudié les propriétés d'impuretés en déplacement dans un gaz de Fermi en interaction. Un tel gaz est constitué d'un grand nombre de fermions ayant le même spin. Si l'on ajoute des atomes de spin opposé à un gaz de Fermi idéal, ils interagissent avec les fermions, ce qui forme un gaz de Fermi en interaction. Les simulations numériques ont montré que la présence d'impuretés modifie aussi la distribution de densité dans le gaz de Fermi voisin, avec une symétrie sphérique. Cette observation a conduit les scientifiques d'INTERPOL à conclure que les polarons étaient des quasi-particules étendues dans l'espace. En outre, elle suggère des interactions à longue distance entre les polarons. À la limite, lorsque les interactions entre les impuretés et les fermions étaient faibles, les scientifiques d'INTERPOL ont utilisé des méthodes mathématiques de la théorie des perturbations. Ils ont ainsi pu obtenir des expressions analytiques pour l'énergie et la masse effective des polarons en mouvement. Ces résultats serviront de base pour généraliser la méthode utilisée lorsque les impuretés finissent par entrer en collision. Les chercheurs conduiront des expériences de validation, créant des faisceaux quasi-monochromes de polarons de Fermi, et les étudiant par spectrométrie électromagnétique. Les résultats théoriques validés par rapport aux expériences devraient aussi s'appliquer aux supraconducteurs et aux aimants, permettant ainsi de s'attaquer à des problèmes fondamentaux de la physique quantique.
