Corrélations quantiques à N corps en impulsion – QUORUM

L'appariement de fermions est le mécanisme microscopique au cœur de la supraconductivité conventionnelle. Dans le modèle de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), la paire de Cooper est formée de deux électrons d'impulsions opposées. En conséquence, la robustesse de l'état supraconducteur est intimement liée à la stabilité des paires et aux corrélations en impulsion. Un tel appariement est également considéré à l'origine de la supraconductivité non conventionnelle, mais une identification claire du type d'appariement dans les supraconducteurs à haute Tc reste encore à apporter plus de 30 ans après leur découverte. Malgré son rôle central dans la description microscopique de la supraconductivité, l'absence d'un détecteur approprié a empêché l'observation de ces corrélations à deux particules en impulsion, dans les supraconducteurs conventionnels et non conventionnels. L'accès à ces signaux ouvrirait de nouvelles possibilités pour étudier la formation et la stabilité de l'appariement non-conventionnel. Au-delà de l'exemple des paires Cooper, la mesure des corrélations en impulsion permettrait une confrontation originale de théories à N corps microscopiques à partir des premiers principes.

Dans le projet QUORUM, nous proposons une approche originale, basée sur la détection d'atomes individuels dans l'espace des vitesses, pour mesurer les corrélations en impulsion dans des états à N corps. Notre méthode de détection unique est basée sur les propriétés spéciales des atomes d'hélium métastables (sa grande énergie interne et sa masse légère). Elle nous permet de reconstituer atome par atome les positions tridimensionnelles et les corrélations dans l'espace des impulsions. Ces capacités nous ont récemment permis d'observer la déplétion quantique dans un condensat de Bose, un effet quantique emblématique à N corps. L'objectif central de QUORUM est d'étendre les investigations actuelles avec les bosons à l'isotope fermionique Hélium-3.

Tout en installant progressivement l'Hélium-3 sur l'appareil, notre premier objectif est de valider notre approche avec l'isotope bosonique Hélium-4. Nous testerons notre détecteur original en étudiant la physique de Bose-Hubbard sur réseau. Nous aborderons ensuite des questions de recherche ouvertes liées aux états fondamentaux à N corps (par exemple, la nature de la phase de verre de Bose), aux transitions métal-isolant (corrélations entraînant la transition de Mott) et à la dynamique à N corps hors-équilibre (dans un gaz 1D après un quench en interaction). S'appuyant sur la «boîte à outils atomique» développée par la communauté des gaz quantiques, des hamiltoniens de complexité croissante seront réalisés grâce aux réseaux optiques, aux résonances de Feshbach et au désordre optique (speckle).

Notre objectif de réaliser une mer de Fermi d'atomes d'Hélium-3 dans un piège optique est très innovateur. Il représente un grand effort expérimental qui permettra l'utilisation de résonances magnétiques de Feshbach. Cela nous amènera à étudier les interactions résonantes en onde p et les appariements non conventionnels dans un gaz polarisé d'Hélium-3. Notre objectif final, l'observation de corrélations en impulsion en onde p, constituera une percée scientifique importante.

Touchant à des questions délicates de la physique à N corps, des collaborations avec des groupes théoriques sur les différents aspects du projet sont planifiées. Cela inclut l'utilisation des techniques les plus avancées de calcul quantique de Monte-Carlo. Un effort théorique important sera également consacré à l'étude des interactions résonnantes en onde p et à l'appariement de fermions dans un gaz d'Helium, en soutient des expériences.. L'observation directe de corrélations en impulsion en onde p ouvrira la voie à l'étude de la stabilisation des paires et de la superfluidité non conventionnelle.