Des physiciens de l’Université de Bonn ont prouvé expérimentalement qu’un important théorème de physique statistique s’applique aux « condensats de Bose-Einstein ». Leurs résultats permettent désormais de mesurer certaines propriétés des « superparticules » quantiques et d’en déduire des caractéristiques du système difficilement observables autrement. L’étude vient d’être publiée dans Lettres d’examen physique.
Supposons qu’il y ait devant vous un récipient rempli d’un liquide inconnu. Votre objectif est de savoir de combien les particules qu’il contient (atomes ou molécules) se déplacent d’avant en arrière de manière aléatoire en raison de leur énergie thermique. Cependant, vous n’avez pas de microscope avec lequel vous pourriez visualiser ces fluctuations de position connues sous le nom de « mouvement brownien ».
Il s’avère que vous n’en avez pas du tout besoin : vous pouvez aussi simplement attacher un objet à une ficelle et le tirer à travers le liquide. Plus vous devez appliquer de force, plus votre liquide est visqueux. Et plus il est visqueux, moins les particules dans le liquide changent de position en moyenne. La viscosité à une température donnée peut donc être utilisée pour prédire l’ampleur des fluctuations.
La loi physique qui décrit cette relation fondamentale est le théorème de fluctuation-dissipation. En termes simples, il déclare: Plus la force que vous devez appliquer pour perturber un système de l’extérieur est grande, moins il fluctuera également de manière aléatoire (c’est-à-dire statistiquement) si vous le laissez seul.
« Nous avons maintenant confirmé pour la première fois la validité du théorème pour un groupe spécial de systèmes quantiques : les condensats de Bose-Einstein », explique le Dr Julian Schmitt de l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn.
Des « super photons » composés de milliers de particules lumineuses
Les condensats de Bose-Einstein sont des formes exotiques de matière qui peuvent survenir en raison d’un effet mécanique quantique : dans certaines conditions, les particules, qu’il s’agisse d’atomes, de molécules ou même de photons (particules qui constituent la lumière), deviennent indiscernables. Plusieurs centaines ou milliers d’entre eux fusionnent en une seule « super particule » – le condensat de Bose-Einstein (BEC).
Dans un liquide à température finie, les molécules vont et viennent au hasard. Plus le liquide est chaud, plus ces fluctuations thermiques sont prononcées. Les condensats de Bose-Einstein peuvent également fluctuer : Le nombre de particules condensées varie. Et cette fluctuation augmente également avec la hausse de la température.
« Si le théorème de fluctuation-dissipation s’applique aux BEC, plus la fluctuation de leur nombre de particules est importante, plus ils doivent réagir avec sensibilité à une perturbation externe », explique Schmitt. « Malheureusement, le nombre [of] les fluctuations des BEC habituellement étudiées dans les gaz atomiques ultra-froids sont trop faibles pour tester cette relation. »
Cependant, le groupe de recherche du professeur Dr. Martin Weitz, au sein duquel Schmitt est un chef de groupe de recherche junior, travaille avec des condensats de Bose-Einstein constitués de photons. Et pour ce système, la limitation ne s’applique pas. « Nous faisons interagir les photons de nos BEC avec des molécules de colorants », explique le physicien. Lorsque des photons interagissent avec des molécules de colorant, il arrive fréquemment qu’une molécule « avale » un photon. Le colorant devient ainsi énergétiquement excité. Il peut ensuite libérer cette énergie d’excitation en « crachant » un photon.
Les photons de faible énergie sont avalés moins souvent
« En raison du contact avec les molécules de colorant, le nombre de photons dans nos BEC montre de grandes fluctuations statistiques », explique le physicien. De plus, les chercheurs peuvent contrôler avec précision l’intensité de cette variation : dans l’expérience, les photons sont piégés entre deux miroirs, où ils sont réfléchis d’avant en arrière à la manière d’un jeu de ping-pong.
La distance entre les miroirs peut varier. Plus elle est grande, plus l’énergie des photons diminue. Étant donné que les photons de faible énergie sont moins susceptibles d’exciter une molécule de colorant (ils sont donc moins souvent avalés), le nombre de particules de lumière condensées fluctue désormais beaucoup moins.
Les physiciens de Bonn ont maintenant étudié comment l’étendue de la fluctuation est liée à la « réponse » du BEC. Si le théorème fluctuation-dissipation est vrai, cette sensibilité devrait diminuer à mesure que la fluctuation diminue.
« En fait, nous avons pu confirmer cet effet dans nos expériences », souligne Schmitt, qui est également membre de l’espace de recherche transdisciplinaire (ART) « Matter » de l’université de Bonn et du cluster d’excellence « ML4Q—Matter and Lumière pour l’informatique quantique. »
Comme pour les liquides, il est désormais possible de déduire les propriétés microscopiques des condensats de Bose-Einstein à partir de paramètres de réponse macroscopiques plus facilement mesurables. « Cela ouvre la voie à de nouvelles applications, telles que la détermination précise de la température dans les systèmes photoniques complexes », déclare Schmitt.
Plus d’information:
Fahri Emre Öztürk et al, Fluctuation-Dissipation Relation for a Bose-Einstein Condensate of Photons, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.033602
Fourni par Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn