Les scientifiques observent des chaînes de Bethe dans un gaz ultrafroid, confirmant une prédiction de 1931

Près d'un siècle après que le physicien Hans Bethe eut prédit leur existence, des scientifiques ont créé et observé directement des structures quantiques inhabituelles appelées « chaînes de Bethe » à l'aide d'atomes ultrafroids. L'expérience, dirigée par le physicien quantique Hanns-Christoph Nägerl de l'Université d'Innsbruck, offre aux chercheurs un moyen hautement contrôlable d'explorer ces états quantiques à plusieurs corps inhabituels. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.

Création d'états liés en une dimension

En 1931, Hans Bethe a proposé que les particules dans certains systèmes quantiques restreints à une dimension puissent se regrouper en des états collectifs désormais appelés chaînes de Bethe. Ces structures diffèrent fondamentalement des molécules familières. Au lieu d'être reliées par des liaisons chimiques, les particules restent liées en raison de leurs interactions mutuelles, et les états résultants ne peuvent exister qu'en une dimension.

Pour produire ces états, les chercheurs ont commencé avec un nuage d'atomes de césium refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ils ont ensuite séparé le nuage en plusieurs milliers de tubes extrêmement étroits. À l'intérieur de chaque tube, les atomes sont effectivement restreints au mouvement le long d'une seule direction, créant l'environnement unidimensionnel requis pour l'existence des chaînes de Bethe.

En modifiant les interactions entre les atomes, passant de répulsives à attractives, l'équipe a provoqué la liaison des atomes. Au lieu de simplement s'effondrer en un seul groupe, les atomes ont formé des états liés de différentes tailles. Certains des amas plus grands contenaient six particules ou plus.

Test de la stabilité par collisions

Pour démontrer que ces particules étaient véritablement liées, les chercheurs ont réalisé deux versions d'une expérience d'expansion. Dans la première version, ils ont laissé les atomes se disperser tout en les maintenant piégés dans leurs tubes unidimensionnels. Pendant cette expansion, les chaînes se sont rencontrées et ont entré en collision, mais les structures liées ont survécu.

« C'est une caractéristique remarquable des chaînes : elles peuvent entrer en collision sans se briser », déclare Milena Horvath, l'une des auteurs principaux.

Dans la deuxième version, les scientifiques ont supprimé le confinement et ont permis aux atomes de se dilater librement dans l'espace tridimensionnel. Parce que les chaînes de Bethe ne peuvent exister qu'en une dimension, la libération des atomes dans trois dimensions a provoqué la désagrégation des états liés. L'énergie qui maintenait les particules liées s'est alors transformée en mouvement, faisant s'éloigner les atomes plus rapidement.

Lorsque les particules étaient non liées, comme c'était le cas lorsque les interactions étaient répulsives, les deux mesures d'expansion ont produit essentiellement la même énergie. Lorsque des chaînes de Bethe étaient présentes, cependant, l'expansion tridimensionnelle contenait une énergie supplémentaire libérée lors de la rupture des états liés. Cette comparaison a fourni un moyen clair d'identifier la présence de chaînes de Bethe.

Un nouveau laboratoire pour la physique quantique

Les chaînes de Bethe avaient précédemment été détectées expérimentalement dans des systèmes magnétiques à l'état solide. Le nouveau travail place ces états liés quantiques inhabituels dans un environnement très différent : un gaz atomique ultrafroid où les chercheurs peuvent contrôler la géométrie du système, la densité des particules et les interactions avec une précision exceptionnelle.

« Les chaînes de Bethe ont été prédites il y a près d'un siècle dans le cadre d'une belle description mathématique des systèmes quantiques à plusieurs corps », déclare Sudipta Dhar, un autre auteur principal. « Maintenant, nous pouvons les créer en laboratoire, les manipuler et les faire entrer en collision pour sonder leur stabilité collisionnelle remarquable. »

Le théoricien principal Alvise Bastianello note que cet environnement « ouvre de nouvelles possibilités pour étudier comment ces objets quantiques collectifs se forment et interagissent. »

Pourquoi c'est important

L'observation directe des chaînes de Bethe dans un gaz ultrafroid contrôlable valide une prédiction théorique de 1931 et fournit une nouvelle plateforme pour étudier la physique quantique à plusieurs corps. Contrairement aux systèmes à l'état solide, le gaz atomique ultrafroid permet une manipulation précise des interactions entre particules et de la géométrie, permettant aux scientifiques d'explorer la formation et la stabilité de ces états quantiques uniques de manière auparavant impossible.

Sources (en anglais)

• sciencedaily.com: A quantum prediction from 1931 just came to life | ScienceDaily
• ua.news: Innsbruck scientists create Bethe strings from ultracold atoms | UA.NEWS

Traduction réalisée par IA de l’article original en anglais, vérifiée automatiquement pour dire la même chose que l’original. Les sources ont été vérifiées en anglais.