Rotation-mediated bosonic Josephson junctions in position and momentum spaces

Imaginez un monde où les atomes, refroidis à des températures proches du zéro absolu, ne se comportent pas comme des particules individuelles mais comme une onde de matière unique et unifiée. Dans cet état, appelé condensat de Bose-Einstein, ces atomes peuvent s'écouler sans friction, à la manière d'un superfluide. Les scientifiques sont depuis longtemps fascinés par la façon dont ces ondes se déplacent lorsqu'elles rencontrent une barrière, plus précisément lorsqu'elles sont piégées dans un paysage comportant deux vallées distinctes, ou « puits ». Si la barrière entre les puits est suffisamment basse, les atomes peuvent traverser par effet tunnel, se déplaçant d'avant en arrière dans un échange rythmique. Ce phénomène, appelé effet Josephson, est une pierre angulaire de la physique quantique et est déjà utilisé dans des dispositifs hautement sensibles et des ordinateurs quantiques. Pendant des décennies, les chercheurs ont étudié cet effet dans l'espace physique où se trouvent les atomes, les observant sauter d'un côté à l'autre d'un piège. Cependant, une nouvelle frontière est apparue : et si le tunnel se produisait non pas dans l'espace physique, mais dans l'espace de l'impulsion (ou quantité de mouvement), qui décrit la vitesse et la direction du mouvement des atomes ? Jusqu'à présent, la création de ce type de tunnel dans l'espace de l'impulsion nécessitait des configurations complexes impliquant des atomes dotés de propriétés magnétiques internes spécifiques.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Haïfa a maintenant découvert un moyen de créer ce difficile effet tunnel dans l'espace de l'impulsion en utilisant un système beaucoup plus simple : un seul type d'atome sans propriétés magnétiques spéciales, simplement en faisant tourner l'ensemble du piège. Dans leur étude, ils ont simulé un nuage de dix atomes en interaction, confinés dans un piège à double puits, et ont mis l'ensemble du système en rotation. Ils ont découvert que si l'on fait tourner le piège trop vite, cela empêche généralement les atomes de circuler entre les puits physiques, les bloquant sur place ; cependant, un ajustement ingénieux de la forme du piège pouvait surmonter cela. En modifiant légèrement la géométrie du piège pour contrer les forces créées par la rotation, ils ont pu restaurer l'écoulement des atomes entre les puits physiques. Plus surprenant encore, cette même rotation a créé un second canal de tunnel invisible. À mesure que le système tournait, les atomes commençaient à osciller non seulement entre les positions physiques gauche et droite, mais aussi entre deux états de mouvement distincts dans la direction latérale. La rotation a effectivement divisé l'impulsion des atomes en deux « puits » séparés, créant une jonction Josephson dans le domaine du mouvement lui-même.

Les chercheurs ont commencé par observer ce qui se passe lorsqu'un piège à double puits est simplement mis en rotation sans ajustements particuliers. Ils ont constaté qu'à mesure que la vitesse de rotation augmentait, les atomes éprouvaient de plus en mieux de la difficulté à effectuer l'effet tunnel d'un côté à l'autre du piège. À une vitesse critique spécifique, l'effet tunnel s'arrêtait complètement et les atomes restaient bloqués dans le puits gauche, un état connu sous le nom de piégeage par auto-confinement (self-trapping). Cela se produisait parce que la rotation créait une force centrifuge qui agissait comme un mur supplémentaire, impénétrable, bloquant le passage entre les deux vallées physiques. Dans ce scénario, les atomes étaient figés sur place, et aucun nouvel effet lié à l'impulsion n'apparaissait. L'équipe a réalisé que pour débloquer le potentiel de ce tunnel dans l'espace de l'impulsion, elle devait neutraliser cet effet de blocage. Ils ont conçu un protocole consistant à ajouter une légère poussée supplémentaire à la forme du piège, annulant ainsi l'effet de la barrière supplémentaire créée par la rotation. Cet ajustement a permis aux atomes de reprendre leur effet tunnel physique, mais avec une nuance : la rotation imprimait une nouvelle structure sur leur mouvement.

Lorsque les chercheurs ont activé ce protocole ajusté et augmenté la vitesse de rotation, ils ont observé quelque chose de remarquable. Les atomes continuaient de circuler entre les puits physiques gauche et droit, mais simultanément, ils commençaient à osciller entre deux états d'impulsion différents dans la direction perpendiculaire au flux. Dans le langage de la physique, la rotation avait créé un potentiel de double puits effectif dans l'espace de l'impulsion. Les atomes ne se contentaient plus de se déplacer d'avant en arrière dans l'espace ; ils échangeaient également leurs états de mouvement entre un mouvement légèrement vers la gauche et un mouvement légèrement vers la droite. Ce comportement dual a été confirmé en suivant l'impulsion moyenne des atomes. Sans rotation, l'impulsion latérale moyenne était nulle. À mesure que la vitesse de rotation augmentait, cette impulsion moyenne commençait à osciller entre des valeurs positives et négatives, indiquant que les atomes effectuaient un effet tunnel entre deux états de mouvement distincts. Cet effet était visible même lorsque les chercheurs prenaient en compte les interactions complexes entre les atomes, montrant que le phénomène était robuste et n'était pas simplement un comportement moyen.

L'étude a également exploré ce qui se passerait si la barrière physique entre les deux puits était entièrement supprimée, laissant une seule vallée large. Même dans cet environnement sans barrière, la rotation seule suffisait à générer l'effet tunnel dans l'espace de l'impulsion. Lorsque le système tournait à la bonne vitesse, les atomes divisaient à nouveau leur mouvement en deux états d'impulsion distincts, oscillant d'avant en arrière. Cette découverte est significative car elle démontre que la jonction dans l'espace de l'impulsion est une conséquence fondamentale de la rotation et de la géométrie du piège, plutôt que du résultat de la barrière physique elle-même. Les chercheurs ont noté que ce comportement a été observé dans leurs simulations informatiques, qui modélisaient la mécanique quantique du système avec une grande précision. Ils ont comparé leurs résultats avec des modèles plus simples ignorant les interactions complexes entre les atomes et ont constaté que, bien que le schéma de base soit maintenu, l'interaction complète entre les atomes rendait le tunnel légèrement moins parfait, un détail qui souligne l'importance d'étudier ces systèmes avec des méthodes avancées.

Ce travail ouvre une nouvelle porte pour la compréhension et le contrôle de la matière quantique. En montrant qu'une simple rotation peut créer une jonction de Josephson dans l'espace de l'impulsion pour un type unique d'atome, les chercheurs ont fourni un nouvel outil aux scientifiques. Auparavant, ces jonctions basées sur l'impulsion n'étaient connues que dans des systèmes dotés de structures internes plus complexes. Désormais, il semble que la rotation du piège lui-même soit suffisante pour engendrer ces états. Cette découverte suggère que de futurs dispositifs quantiques pourraient être construits en utilisant ces pièges rotatifs pour créer des jonctions stables et réglables qui fonctionnent à la fois dans l'espace physique et dans l'espace de l'impulsion. La capacité de contrôler le flux d'atomes dans ces deux domaines simultanément pourrait mener à des capteurs quantiques plus sensibles et à de nouveaux types de dispositifs mécaniques quantiques. Les chercheurs soulignent que, bien que leurs résultats soient actuellement basés sur des simulations, ils offrent un schéma directeur clair pour que les expérimentateurs tentent de reproduire cela en laboratoire, faisant potentiellement entrer ces effets de l'espace de l'impulsion dans le domaine de la réalité observable.