Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

Dans le monde silencieux de la physique quantique, où les atomes se comportent moins comme des billes solides que comme des ondes qui se chevauchent, les scientifiques s'appuient depuis longtemps sur une règle simple : avec suffisamment de temps, un système chaotique finira par se stabiliser dans un état calme et prévisible appelé équilibre thermique. C'est l'état où l'énergie est partagée également entre toutes les parties d'un système, comme une tasse de café qui refroidit jusqu'à correspondre à la température de la pièce. Cependant, la nature prend parfois un détour. Avant d'atteindre ce calme final, de nombreux systèmes restent bloqués dans une condition semi-stable et durable connue sous le nom d'état préthermique. Dans cette phase, le système semble s'être stabilisé, pourtant il conserve la mémoire de son chaos initial, refusant de partager son énergie équitablement. Comprendre pourquoi et comment ces systèmes restent bloqués est un défi fondamental, offrant des indices sur tout, des premiers instants de l'univers au comportement de matériaux complexes.

Une équipe de chercheurs du Joint Quantum Institute et du National Institute of Standards and Technology a désormais capturé ce phénomène en action, l'observant au sein d'un nuage d'atomes ultra-froids. Ils ont créé un scénario où deux types distincts d'atomes, qui se repoussent naturellement, ont été contraints de partager un même espace. Lorsque les conditions ont été soudainement modifiées, ces atomes ne se sont pas simplement mélangés ou séparés instantanément. Au lieu de cela, ils ont formé une frontière nette, une interface unidimensionnelle, entre deux grands domaines. Cette frontière n'était pas un mur statique ; elle ondulait et oscillait avec des ondes appelées ripplons. En observant l'évolution de ces ondes au fil du temps, les scientifiques ont découvert que l'interface entrait dans un état préthermique qui défiait les règles habituelles de partage d'énergie.

L'expérience a débuté avec un nuage d'environ 1,6 million d'atomes de sodium, refroidis à des températures proches du zéro absolu et piégés dans une boîte plate et carrée. Initialement, tous les atomes étaient dans le même état quantique. Les chercheurs ont ensuite utilisé une impulsion micro-onde pour diviser le nuage en deux groupes d'atomes mutuellement incompatibles, comme l'huile et l'eau. Ces deux groupes ont immédiatement commencé à se séparer, formant des gouttelettes aléatoires qui ont fusionné et grandi jusqu'à ce que deux grands domaines distincts émergent de chaque côté de la boîte. La frontière entre eux était le cœur de l'étude. À mesure que les atomes se stabilisaient, l'interface entre les deux domaines commençait à fluctuer, créant des ondes de différentes tailles. Les chercheurs ont mesuré la hauteur de cette frontière avec une précision extrême, suivant l'évolution de ces ondes sur une période allant jusqu'à quatre secondes.

Ce qu'ils ont trouvé est une division frappante de comportement. Les ondes de l'interface provenaient de nombreuses tailles, des ondulations très courtes et serrées aux ondulations longues et amples. Les rides courtes à haute fréquence ont rapidement perdu leur énergie au profit du nuage d'atomes environnant, se stabilisant à une température correspondant à celle du gaz global. Cependant, les ondes longues à basse fréquence se sont comportées différemment. Ces grandes ondulations sont restées chaudes, conservant nettement plus d'énergie que le reste du système, même après que les chercheurs eurent attendu un long moment. Le système avait atteint un état où les petites ondes étaient calmes, mais les grandes ondes étaient encore agitées, créant une configuration préthermique de longue durée.

Pour comprendre cela, les scientifiques ont dû examiner comment l'énergie circule entre ces ondes et les atomes environnants. Dans un système typique, l'énergie circule librement jusqu'à ce que tout soit à la même température. Ici, les règles du mouvement ont empêché ce flux pour les grandes ondes. Les chercheurs ont découvert que les grandes ondulations étaient cinématiquement isolées. Cela signifie que les lois de la physique régissant leur mouvement rendaient impossible pour elles de transférer facilement leur énergie aux atomes environnants par les processus habituels de type collision. L'énergie requise pour qu'une grande ondulation cède sa chaleur ne correspondait pas à l'énergie disponible dans les atomes environnants, créant un décalage qui bloquait le transfert. C'est similaire à essayer de pousser un rocher massif avec une brise légère ; la brise est incapable de déplacer la pierre, peu importe la durée de son souffle.

L'équipe a confirmé cette isolation en mesurant directement la température des ondes. Ils ont constaté que la température des grandes ondulations était bien plus élevée que celle du gaz environnant, tandis que les petites ondulations avaient refroidi pour correspondre à celle du gaz. Ils ont également écarté d'autres possibilités, comme le fait que les ondes forment un état cohérent spécial tel qu'un faisceau laser, en montrant que les ondes suivaient un modèle statistique standard, mais avec la mauvaise température. Les données ont montré que les grandes ondes se décroissaient incroyablement lentement, avec un temps de relaxation mesuré d'environ cinq secondes, ce qui est nettement plus long que le temps nécessaire aux petites ondes pour se stabiliser.

Cette découverte fournit un exemple expérimental clair de la manière dont un système peut rester bloqué dans un état préthermique non pas parce qu'il est parfaitement ordonné, mais parce que les modes spécifiques de mouvement de l'énergie sont bloqués par la géométrie du système lui-même. Les chercheurs ont observé que l'interface entre les deux domaines atomiques agissait comme un sous-système qui était effectivement coupé du reste du monde pendant une période significative. Tandis que les petites ondes trouvaient un chemin vers l'équilibre, les grandes ondes restaient piégées dans un état d'énergie élevée, attendant qu'une interaction complexe et rare permette enfin de se refroidir.

Ce travail met en lumière un aspect fondamental de la mécanique quantique : même dans un système qui n'est pas parfaitement isolé, certaines parties peuvent rester hors d'équilibre pendant longtemps si les voies d'échange d'énergie sont bloquées. Les chercheurs ont noté que, bien qu'ils aient identifié le mécanisme de cette relaxation lente, les processus exacts qui ont initialement créé cet état préthermique et les détails complets de la façon dont il finit par se désintégrer restent des questions ouvertes. Ils suggèrent que la réponse pourrait résider dans la manière dont les ondes individuelles perdent leur cohérence de phase ou se mélangent entre elles au sein du groupe préthermique. En fournissant une plateforme propre et contrôlable pour étudier ces dynamiques, cette expérience ouvre une nouvelle fenêtre sur la compréhension de la manière dont les systèmes quantiques complexes approchent l'équilibre, un processus qui est central au comportement de la matière aux échelles les plus petites.