Pour la première fois, des scientifiques ont observé la formation de quasiparticules – un phénomène étrange observé dans certains solides – en temps réel, ce que les physiciens s’efforcent de faire depuis des décennies.
Il ne s’agit pas seulement d’une grande affaire pour le monde de la physique, mais d’une réalisation qui pourrait changer la façon dont nous construisons l’électronique ultra-rapide et conduire au développement de processeurs quantiques.
Mais qu’est-ce qu’une quasi-particule ? Il ne s’agit pas d’une particule physique, mais d’un concept utilisé pour décrire certains des phénomènes étranges qui se produisent dans des configurations assez sophistiquées, notamment les systèmes quantiques à plusieurs corps ou les matériaux à l’état solide.
Prenons l’exemple d’un électron se déplaçant dans un solide. Au cours de son déplacement, l’électron génère une polarisation dans son environnement en raison de sa charge électrique. Ce nuage de “polarisation” suit l’électron dans le matériau et, ensemble, ils peuvent être décrits comme une quasi-particule.
“On pourrait se représenter un skieur par une journée de poudreuse”, explique l’un des chercheurs, Rudolf Grimm, de l’université d’Innsbruck en Autriche, “le skieur est entouré d’un nuage de cristaux de neige. Ensemble, ils forment un système qui a des propriétés différentes de celles du skieur sans le nuage.”
Les quasi-particules et leur formation ont été largement décrites dans des modèles théoriques, mais les mesurer et les observer en temps réel a été un véritable défi. En effet, non seulement le phénomène des quasi-particules se produit à une échelle minuscule, mais il est également incroyablement éphémère.
“Ces processus ne durent que quelques attosecondes, ce qui rend extrêmement difficile l’observation résolue dans le temps de leur formation”, explique M. Grimm.
Pour mettre cela en perspective, une attoseconde correspond à un quintillionième de seconde. Cela signifie qu’une attoseconde est à une seconde ce qu’une seconde est à environ 31,71 milliards d’années.
Mais l’équipe a réussi à trouver un moyen de ralentir un peu le processus.
À l’intérieur d’une chambre à vide, ils ont utilisé des techniques de piégeage par laser pour créer un gaz quantique ultrafroid composé d’atomes de lithium et d’un petit échantillon d’atomes de potassium au centre.
Ils ont ensuite utilisé un champ magnétique pour régler les interactions entre les particules, créant ainsi un type de quasi-particule connu sous le nom de polaron de Fermi – qui est essentiellement constitué d’atomes de potassium intégrés dans un nuage de lithium.
La formation de ces quasi-particules aurait pris une centaine d’attosecondes dans un système normal, mais grâce au gaz quantique ultra-froid, l’équipe a pu la ralentir et en être témoin pour la toute première fois.
“Nous avons simulé les mêmes processus physiques à des densités beaucoup plus faibles”, a déclaré Grimm. “Ici, le temps de formation des polarons est de quelques microsecondes”
L’objectif est maintenant de trouver comment non seulement observer ces quasi-particules, mais aussi les mesurer réellement, afin de trouver un moyen de les utiliser pour développer des systèmes de traitement quantique qui nous apporteront l’électronique super rapide du futur.
nous avons mis au point une nouvelle méthode pour observer la “naissance” d’un polaron pratiquement en temps réel”, a déclaré M. Grimm. “Cela pourrait s’avérer une approche très intéressante pour mieux comprendre les propriétés physiques quantiques des dispositifs électroniques ultrarapides.”
Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue Science.