Un microscope à gaz quantique pour observer les fermions
Les électrons, les protons, les neutrons et même les quarks sont des fermions, c'est-à-dire des particules dont le spin est semi-entier. Contrairement aux bosons de spin entier, deux fermions identiques ne peuvent se trouver au même endroit dans le même état quantique. Cette contrainte simple conduit à la structure des éléments, où les électrons sont obligés d'occuper des orbites différentes autour du noyau de l'atome. L'interaction des fermions conduit donc à la structure des atomes et aux matériaux solides. Ils ont aussi un comportement collectif qui conduit à des phénomènes exotiques comme la supraconductivité à haute température et la magnétorésistance géante. Cependant, on comprend encore mal les systèmes de fermions qui interagissent fortement. Pour les chercheurs du projet FERMISITE (Strongly correlated fermions in optical lattices with single-site resolution), financé par l'UE, les gaz fermioniques d'atomes ultra froids sont parfaits pour étudier la physique de nombreux corps à l'état solide. En particulier, des atomes fermioniques piégés dans un réseau optique reproduisent la physique des électrons dans un solide cristallin. Les chercheurs ont utilisé pour leur expérience un tel réseau optique, constitué de faisceaux laser rétro-réfléchis. Pour observer les atomes avec la résolution d'un site du réseau, ils ont conçu une nouvelle configuration qui intègre un faisceau vertical rétro-réfléchi à la fenêtre sous vide. Les chercheurs ont refroidi par laser des atomes de potassium-40, et forcé l'évaporation sur le plan focal de ce piège magnéto-optique. Ils ont utilisé l'imagerie par fluorescence pour détecter les atomes pendant le refroidissement. Pour rendre fluorescents les atomes de potassium, ils les ont éclairés avec une lumière hors résonance. Des expériences similaires ont été conduites à peu près simultanément aux États-Unis par des chercheurs de l'université de Harvard et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), et en Allemagne au Max-Planck-Institut für Quantenoptik de Garching. L'avènement de la microscopie à gaz de fermions ouvre la possibilité d'étudier des systèmes à nombreux fermions, piégés dans des réseaux optiques. L'étude de tels systèmes quantiques, dans des environnements bien contrôlés, éclaircira le comportement d'autres fermions. En particulier, une simulation quantique de fermions avec la résolution d'une particule, sera un excellent banc de test pour étudier les propriétés de systèmes quantiques fortement corrélés, qui sont difficiles à résoudre par simulation numérique.
Mots‑clés
Microscope à gaz quantique, fermions, atomes de potassium, noyau atomique, FERMISITE, réseau optique
