Raccourcis à l'adiabaticité : aspects expérimentaux et théoriques – STATE

Ce projet vise à étudier expérimentalement et théoriquement, s'il est possible de piloter un système d'un état à un autre sur une durée qui est plusieurs ordre de grandeurs plus courte que son temps de relaxation naturel. Des travaux récents, regroupés sous l'appellation "courts-circuits à l'adiabadicité" (Shortcut To Adiabadicity - STA), ont démontré qu'une telle opération était possible dans des systèmes classiques isolés ou des systèmes quantiques, à l'aide de protocoles spécifiques. Ces exemples, qui relèvent pour l'essentiel du transport et de la préparation d'états quantiques, ont été mis en œuvre dans des conditions d'isolement. A rebours de ces travaux, notre propos est d'étudier des système ouverts et thermostatés. Il s'agit-là d'un point clé en vue d'applications futures. Le projet que nous proposons est de nature tout à la fois théorique et expérimentale, et procède d'un équilibre entre ces deux volets. Deux systèmes de choix ont été retenus pour le travail expérimental, pour leur complémentarité : les colloïdes confinés, et les dispositifs de microscopie à force atomique.


Dans ce contexte nous aborderons quatre classes de questions:


1. La résolution des équations de Fokker-Planck, d'où l'on peut tirer la définition des protocoles requis pour accélérer le retour à l'équilibre, comme dans l'exemple de la détente d'un gaz, ou d'un ensemble d'objets colloïdaux.


2. La mise en œuvre expérimentale des processus ainsi obtenus, dans le contexte colloïdal ou des micro-oscillateurs, notamment au bénéfice de la microscopie atomique.


3. Nous nous pencherons par ailleurs sur les facteurs limitants d'un point de vue applicatif, avec une attention particulière portée à la robustesse et aux aspects énergétiques.


4. Enfin, nous étendrons l'analyse à la relaxation entre états hors d'équilibre stationnaires.


Ces questions présentent un intérêt fondamental, mais débouchent par ailleurs naturellement sur des applications en nombre, en physique statistique, en biologie, ainsi que dans l'élaboration de dispositifs de dimensions réduites, où l'on ne peut s'affranchir de fluctuations importantes. Cette thématique de recherche concerne la robustesse et le contrôle, par l'application de forces extérieures judicieusement choisies. Toutefois, notre approche se distingue des méthodes existantes par son caractère "pro-actif", par opposition aux méthodes de contrôle par "rétro-action", et par la prise en compte des sources de bruit, qu'elles soient de nature thermique ou non. C'est un signe distinctif qui sert également de fil conducteur aux axes de recherche explorés. Dans un panorama élargi, notre projet s'inscrit dans un champ de recherche émergeant, où chaque tache aborde un point clef d'un plus vaste programme (phénoménologie dans le cadre sur-amorti, pertinent dans une catégorie de problèmes tel que les colloïdes en solution ; nouveaux effets liés à la dynamique sous-amortie, dont les micro-leviers de microscopie à force atomique constituent l'exemple emblématique ; transition vers les grands nombres de degrés de liberté avec des colloïdes paramagnétiques).


Dans ce panorama, nous avons déjà réalisé deux expériences de preuve de principe, qui assoient la pertinence de notre demande. L'une d'entre elle conduit à des protocoles brevetables pour l'imagerie en microscopie à force atomique, et démontrent son réel potentiel de valorisation.