Oscillations de symétrie dans des mélanges de gaz quantiques

En mécanique quantique, lorsque l'état initial d’un système n'est pas un état propre de l'opérateur d’évolution, sa fonction d’onde peut présenter au cours du temps des oscillations, signalant la présence d’une cohérence quantique dans le système. Des oscillations de Rabi entre les états d'une seule particule aux oscillations de Josephson dans un système émergent à deux niveaux, de telles oscillations sont utilisées pour une multitude d'applications, des qubits aux étalons de métrologie.

Dans un récent travail théorique, une collaboration entre des équipes de l'Institut de physique de Nice (INPHYNI, CNRS / Université Côte d'Azur) et du Laboratoire de physique & modélisation des milieux condensés (LPMMC, CNRS / Université Grenoble Alpes) a étudié l’émergence de ces oscillations dans un mélange de particules quantiques à très basse température, confinées dans une ligne unidimensionnelle. Lorsque les interactions répulsives entre ces atomes froids sont très fortes, le mouvement de la chaîne atomique s'apparente à celui de voitures coincées dans un embouteillage à une seule voie. Dans ce cas, le flux de particules est dicté par la symétrie des échanges entre les particules, une symétrie qui devient non triviale lorsque le système est composé de différentes espèces d'atomes.

L'objectif de cette étude était de suivre l’état d’un indicateur de cette symétrie afin d'accéder à des informations fondamentales sur la dynamique quantique du système. Les chercheurs et chercheuses ont ainsi identifié une observable très bien connue car fréquemment mesurée dans les expériences, à savoir la distribution des vitesses des atomes. Celle-ci partage une structure mathématique similaire à celle de l'indicateur de symétrie qui est un objet mathématique abstrait. Lors de l'évolution temporelle qui provoque un mélange des symétries, la distribution des vitesses oscille en raison de la non-conservation de la symétrie dans les équations qui gouvernent la dynamique. Dans ce travail sont présentés en détail les exemples de mélanges de deux espèces dans les cas où ces équations conservent ou non cette symétrie, une situation qui illustre explicitement cette correspondance.

Le mécanisme à l’œuvre dans le système étudié étant analogue à l’échelle atomique aux oscillations des neutrinos en physique des hautes énergies observés depuis longtemps, ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles investigations sur l'interaction entre symétrie et dynamique dans des systèmes quantiques à plusieurs composantes. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.