Pour la première fois, des scientifiques ont pu observer la formation de quasiparticules (un étrange phénomène se produisant dans certains solides) en temps réel. Il s’agit d’une observation dont les physiciens ont eu beaucoup de mal à effectuer, depuis maintenant des décennies de recherche. Cela représente non seulement un important enjeu pour le monde de la physique, mais il s’agit également d’un exploit qui pourrait changer la façon de concevoir les systèmes électroniques ultra-rapides : ce qui pourrait conduire au développement de processeurs quantiques.
Mais qu’est-ce qu’une quasiparticule ? Plutôt qu’une particule physique, il s’agit d’un concept utilisé pour décrire certains des phénomènes étranges qui se produisent dans des configurations assez fantaisistes : en particulier, au sein de systèmes quantiques à corps multiples ou dans des matériaux à l’état solide.
Un exemple peut être fait avec un électron se déplaçant à travers un solide. Comme l’électron se déplace, il génère une polarisation au sein de son environnement en raison de sa charge électrique. Ce nuage de « polarisation » suit l’électron à travers le matériau. C’est cet ensemble qui peut être décrit comme étant une quasiparticule.
« Vous pouvez l’imaginer comme un skieur lors d’une journée de poudreuse », a expliqué l’un des chercheurs, Rudolf Grimm, de l’Université d’Innsbruck en Autriche. « Le skieur est entouré d’un nuage de cristaux de neige. Ensembles, ils forment un système qui possède des propriétés différentes de celles du skieur sans ce nuage », ajoute-t-il.
Les quasiparticules et leurs formations ont été largement décrites dans les modèles théoriques, mais pouvoir les mesurer et les observer en temps réel a été un véritable défi. En effet, non seulement le phénomène de quasiparticules se produit à très petite échelle, mais il est également d’une durée incroyablement courte.
« Ces processus ne durent que quelques attosecondes (une attoseconde = 10−18 secondes), ce qui rend l’observation de leur formation extrêmement difficile », a déclaré Grimm. Pour mettre cela en perspective, 1 attoseconde est un quintillionième de seconde. Ce qui signifie que 1 attoseconde est à 1 seconde ce que 1 seconde est à…environ 31,71 milliards années ! On peut donc confirmer que le phénomène est plutôt rapide.
Mais l’équipe est parvenue à trouver un moyen de ralentir légèrement le processus. À l’intérieur d’une chambre sous vide, ils ont utilisé des techniques de piégeage magnéto-optique afin de créer un gaz quantique ultra-froid, composé d’atomes de lithium et d’un petit échantillon d’atomes de potassium en son centre. Ils ont ensuite utilisé un champ magnétique pour syntoniser les interactions des particules, ce qui a pour effet de créer un type particulier de quasiparticule, connu sous le nom de « polaron de Fermi », qui est essentiellement composé d’atomes de potassium incorporées dans un nuage de lithium.
La formation de ces quasiparticules aurait duré environ 100 attosecondes au sein d’un système normal, mais grâce au gaz quantique ultra-froid, l’équipe a été en mesure de ralentir ce processus, permettant ainsi de l’observer 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 pour les polarons est de quelques microsecondes ».
L’objectif est maintenant de comprendre comment non seulement observer ces quasiparticules, mais également de déterminer comment les mesurer, de sorte que nous puissions trouver un moyen de les utiliser afin de développer des systèmes de traitement quantiques, qui nous livreront l’électronique ultra-rapide de demain. « Nous avons développé une nouvelle méthode permettant d’observer la « naissance » d’un polaron quasiment en temps réel », a déclaré Grimm. « Cela peut se révéler être une approche très intéressante pour mieux comprendre les propriétés physiques quantiques de dispositifs électroniques ultra-rapides », ajoute le scientifique.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]