De nombreux phénomènes du monde naturel, et non seulement les phénomènes physiques étudiés en laboratoire, mettent en évidence des symétries dans leur évolution dynamique. Ces symétries aident les chercheurs à mieux comprendre le mécanisme interne d'un système. En physique quantique cependant, ces symétries ne sont théoriquement pas toujours atteintes (écart avec la symétrie classique). Et pour la première fois, des chercheurs ont réussi à le prouver expérimentalement.
Pour la première fois, des chercheurs du Center for Quantum Dynamics de l'Université de Heidelberg ont réussi à prouver, en laboratoire, l'écart existant avec la symétrique classique, jusqu'ici uniquement prédit de manière théorique. Pour ce faire, ils ont effectué des expériences sur des atomes de lithium ultra-froids. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Science.
« Dans le monde de la physique classique, l'énergie d'un gaz idéal augmente proportionnellement à la pression appliquée. Ceci est une conséquence directe de la symétrie d'échelle, et la même relation est vraie dans tous les systèmes invariants d'échelle. Dans le monde de la mécanique quantique, les interactions entre les particules quantiques peuvent devenir si fortes que cette symétrie d'échelle classique ne s'applique plus », explique le professeur associé, Dr. Tilman Enss, de l'Institut de physique théorique de l'université de Heidelberg. Son groupe de recherche a collaboré avec celui du professeur Selim Jochim, dans le même Institut de physique.
Sur cette séquence d'images, un nuage de particules quantiques en expansion viole la symétrie d'échelle classique. Crédits : Enss
Dans leurs expériences, les chercheurs ont étudié le comportement d'un gaz ultra-froid et ultra-fluide d'atomes de lithium. Lorsque le gaz sort de son état d'équilibre, il commence à se dilater et à se contracter de manière répétée dans un mouvement de "respiration".
Contrairement aux particules classiques, ces particules quantiques peuvent se lier en paires et, par conséquent, le superfluide devient de plus en plus rigide au fur et à mesure qu'il est comprimé.
Le groupe de recherche dirigé par les auteurs principaux, Puneet Murthy et Nicolo Defenu (collègues du professeur Jochim et du docteur Enss), a observé cet écart par rapport à la symétrie d'échelle classique et a ainsi directement vérifié la nature quantique de ce système.
Pour être plus précis, le groupe a découvert la manifestation d'une anomalie quantique dans la dynamique de l'espace-temps d'un superfluide bidimensionnel de Fermi (d'atomes ultrafroids).
Les chercheurs ont constaté que les exposants qui caractérisent les corrélations de phase à longue distance dans le système sont modifiés par l'anomalie quantique, soulignant l'influence de cet effet sur les propriétés critiques des superfluides 2D.
Ils rapportent que cet effet permet de mieux comprendre le comportement de systèmes dotés de propriétés similaires, tels que le graphène ou les supraconducteurs, qui ne présentent aucune résistance électrique lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température critique.
Source : Science