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Des physiciens exploitent des électrons pour créer des « dimensions synthétiques ».

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Marrakech, 28 févr. (Maroc-Actu) –

Les physiciens de l’université Rice ont contrôlé les électrons dans les atomes géants de Rydberg avec une telle précision qu’ils peuvent créer « dimensions synthétiques« outils pour les simulations quantiques.

Ils ont mis au point une technique permettant de manipuler les états de Rydberg d’atomes de strontium ultrafroids en appliquant des champs électriques micro-ondes résonnants pour coupler de nombreux états. Un état de Rydberg se produit lorsqu’un électron dans l’atome est énergétiquement élevé à un état hautement excité, augmentant son orbite pour rendre l’atome des milliers de fois plus grand que la normale.

Les atomes ultrafroids de Rydberg sont à un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. En manipulant avec précision et souplesse le mouvement des électrons, les chercheurs de la Rice Quantum Initiative ont couplé des niveaux de Rydberg en forme de treillis d’une manière qui simule certains aspects des matériaux réels. Ces techniques pourraient également permettre de réaliser des systèmes qui ne peuvent être obtenus dans un espace tridimensionnel réel, créant ainsi une nouvelle plateforme puissante pour la recherche quantique.

Les physiciens de Rice Tom Killian, Barry Dunning et Kaden Hazzard, tous membres de l’initiative, ont détaillé la recherche avec l’auteur principal et étudiant diplômé Soumya Kanungo dans un article publié dans Nature Communications. L’étude s’est appuyée sur des travaux antérieurs sur les atomes de Rydberg que Killian et Dunning ont explorés pour la première fois en 2018.

Les atomes de Rydberg possèdent de nombreux niveaux d’énergie quantique régulièrement espacés, qui peuvent être couplés par des micro-ondes permettant à l’électron hautement excité de passer d’un niveau à l’autre. La dynamique dans cette « dimension synthétique » est mathématiquement équivalente à celle d’une particule se déplaçant entre les sites du réseau dans un cristal réel.

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« Dans une expérience de physique typique d’un lycée, on peut voir les lignes d’émission de lumière des atomes qui correspondent aux transitions d’un niveau d’énergie à un autre », a déclaré la commissaire européenne à l’environnement et au développement durable. dans une déclaration Hazzard, professeur associé de physique et d’astronomie, qui a établi la base théorique de l’étude dans des articles précédents. « On peut le constater même avec un spectromètre très primitif : un prisme !

« Ce qui est nouveau ici, c’est que nous pensons à chaque niveau comme à un emplacement dans l’espace », a-t-il déclaré. « En envoyant différentes longueurs d’onde de lumière, nous pouvons coupler les niveaux entre eux. Nous pouvons faire en sorte que les niveaux ressemblent à des particules qui se déplacent simplement d’un endroit à l’autre de l’espace.

« C’est difficile à faire avec la lumière, ou le rayonnement électromagnétique de longueur d’onde nanométrique, mais nous travaillons avec des longueurs d’onde millimétriques, ce qui rend techniquement beaucoup plus facile la génération de couplages », a déclaré Hazzard.

« Nous pouvons mettre en place les interactions, la façon dont les particules se déplacent, et saisir toute la physique importante d’un système beaucoup plus compliqué », a déclaré M. Killian, professeur de physique et d’astronomie à l’université Rice et doyen de la Wiess School of Natural Sciences.

« Ce qui sera vraiment passionnant, ce sera lorsque nous mettrons plusieurs atomes de Rydberg ensemble pour créer des particules en interaction dans cet espace synthétique », a-t-il déclaré. « Avec cela, nous pourrons faire de la physique que nous ne pouvons pas simuler sur un ordinateur classique car cela devient très vite compliqué ».

Les chercheurs ont démontré leurs techniques en réalisant un réseau 1D connu sous le nom de système Su-Schrieffer-Heeger. Pour ce faire, ils ont utilisé des lasers pour refroidir les atomes de strontium et ont appliqué des micro-ondes avec des couplages faibles et forts alternés pour créer le paysage synthétique approprié. Un deuxième ensemble de lasers a été utilisé pour exciter les atomes vers la variété d’états Rydberg élevés couplés.

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L’expérience a révélé comment les particules se déplacent dans le réseau 1D ou, dans certains cas, se figent sur les bords, même si elles ont suffisamment d’énergie pour se déplacer, a expliqué M. Killian. Cela concerne les propriétés des matériaux qui peuvent être décrites en termes de topologie.

« Il est beaucoup plus facile de contrôler les amplitudes de couplage lorsque vous utilisez des ondes millimétriques pour coupler les états atomiques de Rydberg », a déclaré M. Kanungo. « Quand on aura ce réseau 1D, avec tous les couplages en place, nous pouvons essayer de voir quelle dynamique résulterait de l’excitation d’un électron de Rydberg dans cet espace synthétique. »

« Utiliser un simulateur quantique, c’est comme utiliser une soufflerie pour isoler les effets, petits mais importants, qui vous intéressent parmi l’aérodynamique plus complexe d’une voiture ou d’un avion », a déclaré M. Killian. « Cela devient important lorsque le système est régi par la mécanique quantique, où dès que l’on dépasse un couple de particules et quelques degrés de liberté, il devient compliqué de décrire ce qui se passe.

« Les simulateurs quantiques sont l’un des fruits à portée de main dont les gens pensent qu’ils seront des outils précoces et utiles pour sortir des investissements dans la science de l’information quantique », a-t-il déclaré, notant que cette expérience combinait des techniques qui sont maintenant assez standard dans les laboratoires étudiant la physique atomique.

« Toutes les technologies sont bien établies », il a dit. « On pourrait même concevoir d’en faire presque une expérience de boîte noire que les gens pourraient utiliser, car les pièces individuelles sont très solides. »

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