Une lumière laser dévie le mouvement des atomes

Une équipe internationale de recherche explique l'origine microscopique de l'effet Hall: l'étude, publiée dans Science, a été coordonnée par l'Université de Florence en collaboration avec le LENS, le CNR et les universités de Genève et Grenoble (CEA - CNRS - UGA). 

Déformer le mouvement des atomes à l'aide de la lumière laser a permis de résoudre un mystère qui dure depuis plus de 40 ans.

Une équipe de recherche de l'Université de Florence, dirigée par Leonardo Fallani du Département de physique et d'astronomie, a conçu un système de laboratoire qui permet d’observer en temps réel comment un courant d’atomes en interactions fortes est courbé par un champ magnétique, et ce dans un régime qui n’a jamais pu être étudié précédemment. 

Les résultats de l'expérience, réalisée dans le cadre du projet de recherche ERC Consolidator Grant TOPSIM, dont Leonardo Fallani est le chercheur principal, ont été publiés dans la revue scientifique Science. Menée à l'Université de Florence en collaboration avec le Laboratoire européen de spectroscopie non linéaire (LENS), celle-ci a également impliqué des chercheurs et chercheuses de l'Institut national d'optique du Conseil national de la recherche ainsi que des universités de Genève et Grenoble.

Des travaux théoriques menés au sein du Département de physique de la matière quantique (DQMP) de l'UNIGE, dans les groupes de Thierry Giamarchi et Michele Filippone, avaient prédit un comportement remarquable pour des particules soumises à un champ magnétique, lorsque leurs interactions devenaient fortes. Tester une telle prédiction théorique dans un système quantique réel n'était cependant pas une tâche facile.

Le système expérimental conçu à Florence est un simulateur quantique, c'est-à-dire un ordinateur quantique «dédié» spécifiquement à la reproduction de l'effet quantique recherché. Les résultats sont extrêmement prometteurs pour étudier l'origine microscopique de la quantification de l'effet Hall qui, 40 ans après sa découverte, est toujours en quête d'une interprétation théorique complète.

L'effet Hall est un phénomène physique par lequel un courant électrique, lorsqu'il circule dans un matériau en présence d'un champ magnétique, plutôt que de se déplacer en ligne droite, «se plie» et entraîne une accumulation de charges électriques sur les bords. Cet effet est à la base de techniques répandues de caractérisation des matériaux. Il est utilisé dans les appareils les plus courants de mesure des champs magnétiques, comme ceux que l'on trouve dans nos téléphones portables.

L'équipe expérimentale, plutôt que de travailler avec des matériaux conventionnels, a pu concevoir un matériau «prototype» en laboratoire où des atomes neutres, refroidis à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu, jouent le rôle d'électrons.

En manipulant des atomes avec de la lumière laser, les chercheurs/euses ont pu les faire se comporter comme des particules chargées en présence d'un champ magnétique «artificiel» et observer précisément comment les trajectoires atomiques étaient courbées par le champ. Pour la première fois, l'effet Hall a été mesuré en faisant varier les interactions entre les particules, confirmant les prédictions théoriques mentionnées plus haut. De plus, les théoricien-nes des universités de Genève et Grenoble ont également participé à la conception de l'expérience et à l'interprétation des résultats.

Ces recherches seront poursuivies dans le cadre des initiatives du PNRR consacrées au développement des nouvelles technologies quantiques.