Les pompes, en un mot, sont des dispositifs qui utilisent un mouvement cyclique pour atteindre le transport régulier de certaines marchandises. Dans une pompe à vélo, les coups répétés de haut en bas d’un piston créent un flux d’air. Dans une pompe à vis d’Archimède, l’eau est transférée entre les réservoirs en tournant une manivelle. Des concepts connexes ont également été explorés dans les systèmes quantiques, en particulier pour transporter des électrons un par un à travers des matériaux à l’état solide, générant ainsi un courant quantifié.
Maintenant, une équipe dirigée par le Dr Tobias Donner, scientifique principal dans le groupe du professeur Tilman Esslinger à l’Institut d’électronique quantique, ajoute une tournure surprenante à l’histoire. Écrire dans La natureils signalent une pompe quantique qui ne nécessite aucun entraînement périodique de l’extérieur – un enroulement de pompe sans manivelle.
La recherche de nouvelles énigmes
L’équipe d’Esslinger et Donner ne travaille pas avec des électrons dans des matériaux à l’état solide, mais plutôt avec des atomes confinés dans des structures complexes créées par l’intersection de faisceaux laser. De tels cristaux synthétiques ont l’avantage que les atomes et le réseau cristallin peuvent être contrôlés avec une précision exquise et une grande flexibilité. La plate-forme peut ensuite être exploitée soit pour mieux comprendre les effets connus, soit pour générer des scénarios dans lesquels les systèmes quantiques se comportent de manière imprévue, pointant idéalement vers de nouveaux phénomènes de physique quantique. Et c’est précisément ce que l’équipe a réalisé dans le travail maintenant rapporté.
Un ingrédient clé de leur expérience est une cavité optique dans laquelle le cristal synthétique est formé. La cavité sert à médier un couplage entre les atomes et les champs lumineux impliqués. De plus, les photons qui s’échappent de la cavité constituent un canal de dissipation, sur lequel les expérimentateurs ont également un excellent contrôle. Un tel système incluant la dissipation est appelé système quantique ouvert. Surtout, lorsqu’elle est correctement contrôlée, la dissipation peut être un atout plutôt qu’une nuisance : en 2019, des membres du groupe Esslinger ont découvert que les photons s’échappant de la cavité peuvent coupler différentes configurations d’un cristal synthétique, donnant lieu à une dynamique oscillant entre ces configurations. Cet ouvrage a été publié dans La science en 2020.
Avancer en tournant en rond
La grande surprise qui a conduit au travail maintenant publié a été l’observation expérimentale que les atomes piégés dans la structure cristalline synthétique ont commencé à bouger. En effectuant plusieurs mesures et en réalisant des simulations numériques, les chercheurs ont identifié le mécanisme à l’origine du mouvement atomique : le cristal synthétique s’enroulait périodiquement entre différentes structures, de sorte que le centre de masse des atomes est déplacé dans l’espace d’une quantité fixe à chaque cycle – en analogie intrigante avec le mouvement chiral vers le haut dans une pompe d’Archimède. En analysant soigneusement le champ lumineux s’échappant de la cavité, les physiciens de l’ETH ont obtenu des informations détaillées sur le mécanisme et caractérisé l’interaction entre la dissipation de la cavité et le pompage quantifié.
Qui tourne la manivelle ?
Ce qui est unique dans ces expériences par rapport aux réalisations précédentes de pompes quantiques – et contrairement à la façon dont nous imaginons une pompe en général – est qu’un courant de particules est observé sans aucune commande périodique externe. Ce qui entraîne le courant est la dissipation de la cavité, conduisant à un pompage « auto-oscillant ». Dans ce contexte, il est important que les configurations d’atomes entre lesquelles le système oscille soient distinctes à un niveau très fondamental, en ce qu’elles possèdent différentes soi-disant topologies. Concrètement, cela signifie que le mécanisme de transport démontré doit être stable contre les perturbations externes et également robuste en ce qui concerne la forme détaillée du protocole de pompage.
Ce sont des découvertes passionnantes. La topologie et les systèmes quantiques ouverts sont tous deux des domaines très actifs de la physique moderne. La connexion entre les deux promet de fournir non seulement un banc d’essai pour la théorie quantique à plusieurs corps, mais aussi un outil pratique pour réaliser des états exotiques de la matière quantique.
Davide Dreon et al, Pompe auto-oscillante dans un système atome-cavité dissipatif topologique, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04970-0
Nishant Dogra et al, Instabilité structurelle induite par la dissipation et dynamique chirale dans un gaz quantique, La science (2020). DOI : 10.1126/science.aaw4465