Les scientifiques ont construit une phase fantôme de la matière. Aucune nature ne nous les donne librement. Celui qu’ils ont dû cajoler, faire du vélo et tordre pour exister. C’est ce qu’on appelle une mer de Fermi fractionnée.
Concevoir l’impossible
Oubliez l’équilibre. Le livre de règles standard pour les atomes ultrafroids fait généralement référence à la théorie des liquides de Tomonaga-Lutting. Il s’agit d’un outil robuste pour décrire les systèmes quantiques 1D. Mais l’équipe, dirigée par le groupe Nägerl avec la théorie d’Alvise Bastianello (CNRS et Université Paris-Duphine), a voulu voir ce qui se passait hors route.
Ils ont pris des atomes de césium. Je les ai verrouillés dans une seule dimension. Ensuite, ils les ont torturés avec des interactions.
En faisant basculer à plusieurs reprises les atomes entre une forte répulsion et une attraction profonde, ils ont maintenu le système en fonctionnement selon un cycle. Un battement de cœur de force. Loin du confort de l’équilibre thermique, les atomes ne sont pas simplement devenus chauds et désordonnés. Ils se sont réorganisés.
L’ingénierie quantique en action. Vous ne trouvez pas ces états dans un pot. Vous devez concevoir le chemin qui y mène.
C’est quoi cette chose ?
Habituellement, les fermions s’empilent parfaitement dans les états énergétiques. C’est la mer de Fermi. Des trucs de manuels. Bastianello a posé une question plus simple et plus précise : que se passe-t-il si vous forcez ces atomes en interaction à passer par des extrêmes ?
Le résultat ? Un état très excité mais étonnamment rigide. Les particules obéissent à une règle d’occupation « fractionnaire ». Moins de particules revendiquent un espace donné que ne le prédisent les statistiques standard. Cela ne semble pas bien. Ça a l’air bien.
Yi Zeng, auteur principal, coupe le bruit. « Au lieu de simplement chauffer le système, les interactions réorganisent les atomes. » Ce n’est pas le chaos. Il s’agit d’une sortie contrôlée de l’équilibre.
La signature cachée
Comment savez-vous que vous n’avez pas simplement commis une erreur ? Mathématiques.
La nouvelle phase hurle avec les oscillations de Friedel. Des ondulations prononcées dans la densité des particules apparaissent quelle que soit la quantité de répulsion que vous injectez. Les modèles de désintégration correspondent à la théorie, et non aux modèles standard de Tomonaga-Lutting.
Nägerl souligne la partie la plus étrange. L’État est énergique. Mais il a un ordre caché dans ses corrélations. C’est du bruit structuré. Il s’interroge sur les quasiparticules à l’intérieur de ce désordre.
“Nous ne savons pas encore comment les appeler. Peut-être des « super-Fermions ? »
Un nouvel outil ou une nouvelle frontière ?
Les simulateurs d’atomes froids sont censés imiter la nature. Reproduire des modèles connus. Testez les manuels. Ce travail suggère que nous pouvons aller plus loin. Nous pouvons sonder des états qui n’existent jamais naturellement.
« Cette découverte montre jusqu’où nous pouvons pousser la simulation : créer et sonder des états qui brisent les paradigmes établis », note Nägerl.
Il n’y a pas d’arc bien rangé ici. L’article expérimental complémentaire est en cours de révision. Les “super-Fermions” ne sont qu’un nom provisoire. Mais la porte est ouverte.
Si nous pouvons construire cette mer partiellement remplie, qu’avons-nous ignoré d’autre dans l’ombre de l’équilibre ? Les règles que nous avons apprises pourraient bien être la ligne de départ.
