Dynamique d’impuretés dans un gaz quantique unidimensionnel accordable – IDTODQG

Ce projet franco-autrichien de recherche collaborative vise à étudier, dans un effort expérimental et théorique conjoint, la dynamique d’impuretés à l’intérieur de fils quantiques d'atomes ultra-froids. La physique des impuretés mobiles dans un milieu hôte constitue un des paradigmes de la physique de la matière condensée. Ce projet vise à utiliser les techniques des systèmes atomiques ultra-froids et quantiques pour étudier le cas d’impuretés dans une géométrie unidimensionnelle dans le cadre d'un régime d'interaction fortes. Il vise à explorer le mouvement contrôlé de l’impureté et à détecter les oscillations induites par les interactions, à étudier la diffusion d’impuretés isolées et à mettre en évidence le régime sub-diffusif de leur dynamique quantique, à étudier les cas d'interactions repulsives ou attractives et à utiliser l’impureté comme une sonde permettant de mettre en évidence de nouveaux états quantiques, ainsi qu'à tester la dynamique et le possible piégeage des impuretés en présence de réseaux longitudinaux.

Les expériences seront effectuées au sein du groupe de H.-C. Nägerl à Innsbruck et analysées par le groupe de M. Zvonarev à Orsay. Le système étudié est constitué de bosons ultra-froids confinés dans des pièges tubulaires étroits. Nous allons bénéficier de l'excellent contrôle qu'il est possible de réaliser sur les états quantiques, les géométries de confinement et les paramètres d'interaction, ainsi que de l'isolation presque parfaite vis à vis des perturbations extérieures et des excellentes efficacités de détection qu'il est possible d'atteindre sur ces systèmes. Les atomes qui forment le « bain » du fil quantique sont dans un état de spin déterminé, alors que les impuretés consistent en quelques autres atomes de la même espèce, dont l'état de spin est différent. Nous allons utiliser la contrôlabilité de l'interaction bain-impureté pour étudier de nombreuses questions afférentes à la dynamique des impuretés dans un fil quantique : l’impureté se comporte-t-elle comme une particule classique dans un milieu visqueux ? Comment la température affecte-t-elle son mouvement ? L’intégrabilité supprime-t-elle la diffusion des impuretés et conduit-elle à un comportement qualitativement différent du cas générique ? Le mouvement de l’impureté peut-il etre non dissipatif ? Nous prévoyons de focaliser notre approche théorique sur les phénomènes mis en évidence par les expériences. Nous allons utiliser une vaste gamme de techniques de la physique des systèmes unidimensionnels à N corps quantiques : ansatz de Bethe, théories des champs effectives et approches numériques (par exemple, DMRG dépendant du temps).

Les retombées de ce projet devraient nous conduire a une bien meilleure compréhension des principes essentiels qui gouvernent la dynamique des systèmes quantiques unidimensionnels en interaction forte. Cette compréhension est déjà un but en soi, mais c'est également une étape importante pour les futures applications technologiques, en vue de la miniaturisation des conducteurs électroniques dont les extensions latérales tendent vers l’échelle atomique, dans un régime où les effets à N corps quantiques vont être déterminants pour le transport qui, de classique, deviendra quantique.