Étude : La contamination atomique similaire à celle des pierres précieuses sert de mémoire d'informations quantiques

Les deux physiciens, le professeur Dr. Artur Widera (à droite) et son doctorant Felix Schmidt, recherchent ... (Photo : TUK/Koziel)

Les impuretés dans les matériaux sont responsables de la couleur des pierres précieuses ou de la performance des semi-conducteurs modernes. Il en va de même pour les systèmes quantiques, où elles sont cependant peu étudiées. Pour la première fois, des physiciens de Kaiserslautern ont réussi à introduire de manière contrôlée une impureté composée d'atomes de césium dans un gaz quantique ultrafroid constitué d'atomes de rubidium. Ils ont observé comment ces impuretés échangeaient des excitations quantiques (spin) avec le gaz. De plus, ils ont montré que les atomes de césium pouvaient stocker des informations quantiques. Cela n'avait pas été possible jusqu'à présent. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée renommée « Physical Review Letters ».

Des impuretés provenant d'atomes individuels, comme dans les pierres précieuses, existent également dans d'autres matériaux et substances. Même en physique quantique, elles sont responsables de divers effets et sont donc intéressantes pour les expériences. À la TUK, des physiciens dirigés par le professeur Dr. Artur Widera et son doctorant Felix Schmidt ont pour la première fois observé comment ces impuretés se comportent dans un condensat de Bose-Einstein d'atomes de rubidium. « En physique, on désigne par là un état de la matière comparable aux états liquide et gazeux. Cependant, un tel condensat est un état quantique parfait, qui se comporte comme une onde », explique le professeur Widera, qui dirige le département des systèmes quantiques individuels. Pour les physiciens, le condensat de Bose-Einstein est un modèle populaire pour étudier les effets quantiques – de la même manière que la mouche drosophile Drosophila sert de modèle en biologie et médecine pour répondre à des questions génétiques, par exemple.

Dans leur étude actuelle, les physiciens de Kaiserslautern ont examiné une telle impureté dans un gaz quantique. Ils l'ont refroidie à des températures proches du zéro absolu, à -273,15 °C. « De cette façon, nous pouvons contrôler un système quantique », explique le premier auteur Felix Schmidt. Les chercheurs ont utilisé des atomes de césium comme impureté. Sur environ 10 000 atomes de rubidium, ils ont intégré entre cinq et dix atomes de césium. « Le système peut être étudié sous un microscope. Le gaz ultrafroid a une taille d'une dizaine de micromètres », poursuit le doctorant. Ainsi, ils ont localisé des impuretés individuelles et observé la modification de leur structure, du « spin » appelé, par l'interaction avec le gaz quantique. « Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'observer des atomes individuels dans un tel gaz. Nous sommes heureux d'avoir réussi cela en expérience », déclare Schmidt.

Les chercheurs ont également vérifié si les atomes de césium pouvaient servir de mémoire d'information tout en étant refroidis dans le gaz quantique. « Pour qu'un atome puisse stocker des informations, son état électronique doit être conservé », explique Widera. « Cependant, dans le condensat, des interactions avec les autres atomes existent, ce qui risque de faire perdre aux informations sensibles en cas de perturbations. » Les chercheurs ont maintenant réussi pour la première fois à refroidir fortement ces atomes dans le gaz quantique, sans perte d'informations quantiques.

« Le modèle d'impuretés individuelles dans un gaz ultrafroid réalise un paradigme de la physique quantique », dit le professeur Widera. « Il peut servir de point de départ pour une multitude d'autres expériences quantiques. » En particulier, les découvertes des scientifiques de Kaiserslautern aident à mieux comprendre ce qui se passe au niveau quantique. Cela pourrait, par exemple, jouer un rôle à l'avenir dans la compréhension des supraconducteurs et le développement de nouveaux matériaux. Les supraconducteurs pourraient transporter l'électricité sur de longues distances sans perte d'énergie à température ambiante. Jusqu'à présent, cela n'est possible qu'à des températures bien inférieures au point de congélation.

L'étude a été publiée dans la revue renommée Physical Review Letters : « Quantum spin dynamics of individual neutral impurities coupled to a Bose-Einstein condensate. » Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann, et Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI : 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera et son doctorant Felix Schmidt mènent des recherches sur les systèmes quantiques. Les physiciens collaborent également avec le centre de recherche interdisciplinaire Optique et Sciences des Matériaux (OPTIMAS), impliquant des groupes de chimie, de génie mécanique, de procédés, d'électrotechnique et de technologie de l'information, afin de transformer les bases en applications concrètes.