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Des « aimants quantiques » artificiels assemblés en manipulant des atomes froids un par un

Communiqué du 3 juin 2016

Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry viennent de démontrer une nouvelle manière de réaliser des systèmes quantiques artificiels, en utilisant des atomes individuels dont les interactions peuvent être contrôlées finement par des lasers, et qui sont placés dans des pièges de lumière arrangés selon des géométries complètement arbitraires.

De nombreux phénomènes physiques, comme la supraconductivité ou certains types de magnétisme, sont des manifestations à notre échelle des propriétés quantiques de systèmes contenant un grand nombre de particules interagissant fortement. Même si l’on sait souvent écrire les équations gouvernant ces systèmes dits « à N corps », les résoudre est le plus souvent impossible : la simulation numérique directe, même à l’aide des ordinateurs les plus performants, n’est que d’un maigre secours car elle devient impossible dès que le nombre de particules excède quelques dizaines. Ce constat a conduit le physicien Richard Feynman à proposer en 1982 le concept de simulateur quantique, c’est-à-dire d’un système modèle réalisé en laboratoire, complètement artificiel mais régi par les mêmes équations que le système que l’on souhaite étudier, et grâce auquel on peut déduire les propriétés pertinentes du modèle par des mesures. Depuis une dizaine d’année, la simulation quantique est devenue un domaine très actif, avec des approches expérimentales diverses, utilisant des photons, des ions piégés, des condensats de Bose-Einstein... Nombre de ces premiers simulateurs élémentaires traitent d’un des systèmes à N corps non triviaux les plus simples, à savoir des Hamiltoniens de spin, qui servent à décrire le magnétisme : on considère une assemblée de particules dont les positions sont fixées (par exemple aux nœuds d’un réseau régulier), mais qui possèdent deux états internes (spin « vers le haut » ou « vers le bas »), et qui interagissent selon des règles déterminées (par exemple, lorsque deux spins voisins pointent dans la même direction).

Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry (UMR 8501 Institut d’Optique Graduate School et CNRS, Palaiseau), viennent de démontrer, dans un travail publié dans la revue Nature, une nouvelle plateforme expérimentale pour étudier ce type de phénomène [1]. Pour cela, des atomes froids, en nombre bien déterminé (jusqu’à une trentaine), sont confinés un par un dans des pièges lumineux de taille micrométrique [2]. Les positions des pièges sont ajustables à volonté : on peut créer des réseaux réguliers à une ou deux dimensions, mais aussi des formes plus exotiques, comme des anneaux, et faire varier la distance entre les atomes… On excite ensuite ces atomes, à l’aide d’un laser, vers des états très excités, dits états de Rydberg, pour obtenir des interactions, qui peuvent être ajustées, quasiment à volonté, en changeant les paramètres d’excitation [3]. Les chercheurs ont alors pu observer directement, en observant la lumière émise par les atomes, l’apparition au cours du temps de fortes corrélations entre les particules : par exemple l’excitation d’un atome vers un état de Rydberg inhibe celle d’autres atomes trop proches de lui, conduisant à des corrélations spatiales analogues à celle observées dans un liquide ! Par rapport aux autres systèmes expérimentaux démontrés jusqu’à présent pour l’étude de tels phénomènes, cette approche nouvelle offre une flexibilité inégalée en termes de contrôle de la géométrie du réseau et de la force des interactions, et ouvre donc des perspectives très prometteuses pour étudier des phénomènes complexes de magnétisme quantique.

Nature

Deux exemples de matrices de pièges, contentant chacun un atome individuel, pouvant être utilisées pour créer des aimants quantiques artificiels.

[1] Tunable two-dimensional arrays of single Rydberg atoms for realizing quantum Ising models, H. Labuhn, D. Barredo, S. Ravets, S. de Léséleuc, T. Macrì, T. Lahaye, A. Browaeys, Nature, doi:10.1038/nature18274

[2] Des pinces optiques pour piéger des atomes un par un, A. Browaeys, Reflets de la Physique n°47-48 (mars 2016).

[3] La force entre deux atomes enfin mesurée, A. Browaeys, La Recherche (mars 2016).

Communiqué (PDF / 263,34 kB)

L'article

Contacts chercheurs :

Antoine Browaeys, directeur de recherche CNRS,

Thierry Lahaye, chargé de recherche CNRS,

Laboratoire Charles Fabry

Institut d’Optique Graduate School, 2 avenue Fresnel, Palaiseau

En savoir plus :

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https://www.lcf.institutoptique.fr

Actualité scientifique sur le site Internet de l'INP

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Contact Presse :

Laurence Franchiset, 01 64 53 31 07, laurence.franchiset@institutoptique.fr

A propos du Laboratoire Charles Fabry

Le Laboratoire Charles Fabry est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Institut d’Optique Graduate School. Pilier historique de la recherche au sein de cet institut, il couvre dans ses recherches un large spectre de l'optique et de ses applications : lasers, biophotonique, matériaux non linéaires, nanophotonique et électromagnétisme, optique quantique, optique atomique, systèmes d’imagerie et physique des images, optique XUV et surfaces optiques.

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