Les physiciens ont encore frappé : ils ont découvert un nouvel état quantique qui a parfaitement du sens sur le papier et absolument aucun dans le cerveau d'une personne normale. Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, des chercheurs dirigés par Hanns-Christoph Nägerl, en collaboration avec le physicien théoricien Alvise Bastianello du CNRS et de l'Université Paris-Dauphine, ont décrit comment concevoir un état quantique exotique connu sous le nom de « mer de Fermi fractionnaire ». Le nom seul ressemble à une spécialité de fruits de mer rejetée, mais la physique est véritablement étrange.

La percée consiste à pousser des atomes de césium ultrafroids bien au-delà de leurs conditions normales en modifiant de façon répétée l'intensité de leur attraction ou répulsion mutuelle. Plutôt que de simplement devenir désordonnées – ce que la plupart d'entre nous faisons sous un stress répété –, les particules se réorganisent en une configuration inhabituelle qui se comporte différemment des systèmes quantiques traditionnellement étudiés par les scientifiques. Les résultats théoriques fournissent la base des recherches expérimentales récentes menées par l'équipe de Nägerl au Département de physique expérimentale.

Dans des conditions ordinaires, les particules quantiques suivent des règles bien établies qui déterminent leur arrangement, en particulier à des températures extrêmement basses. Un exemple important concerne les fermions, une catégorie de particules qui inclut les électrons. Ces particules ne peuvent pas toutes occuper le même état quantique, elles remplissent donc les niveaux d'énergie disponibles selon des restrictions spécifiques. À très basse température, cet arrangement produit ce que les physiciens appellent une mer de Fermi. C'est ordonné, prévisible et – soyons honnêtes – un peu ennuyeux.

Mais que se passe-t-il lorsque les chercheurs perturbent délibérément les conditions qui régissent normalement le comportement des particules ? Comme l'explique Alvise Bastianello : « Les fermions, par exemple, s'empilent proprement dans les états d'énergie disponibles pour former ce qu'on appelle la “mer de Fermi”. Mais que se passe-t-il si l'on force des atomes en interaction à passer continuellement par des conditions extrêmes, en les faisant passer en douceur d'une forte répulsion à une forte attraction ? » C'est l'équivalent quantique de demander ce qui se passe si vous ne cessez d'actionner l'interrupteur d'une ampoule très petite et très confuse.

Pour étudier cette possibilité, les chercheurs ont étudié des atomes de césium ultrafroids confinés dans un système unidimensionnel. Cela signifie que les atomes sont restreints à se déplacer dans une seule direction, créant un environnement dans lequel leurs interactions quantiques peuvent être étudiées avec un contrôle exceptionnel. L'équipe a examiné ce qui se passe lorsque les interactions entre ces atomes sont ajustées de façon répétée, alternant entre une forte répulsion et une forte attraction.

Leurs calculs ont révélé quelque chose d'inattendu. En partant de l'état fondamental, la configuration de plus basse énergie disponible pour le système, les atomes pouvaient être poussés dans un état hautement excité sans perdre leur organisation sous-jacente. Les chercheurs appellent cet arrangement inhabituel une mer de Fermi fractionnaire parce que ses particules semblent obéir à une règle modifiée régissant l'occupation des états quantiques.

« Au lieu de simplement chauffer le système, le cycle d'interaction réorganise les atomes en un nouvel état à N corps », explique Yi Zeng, l'auteur principal de cette étude. « Cela nous donne un moyen contrôlé d'explorer la matière quantique au-delà des paradigmes d'équilibre habituels. » En d'autres termes, ils ont secoué l'ardoise magique quantique et ont obtenu un chef-d'œuvre au lieu d'un gâchis.

L'une des caractéristiques les plus intrigantes de la mer de Fermi fractionnaire est que ses particules restent organisées même si le système a été poussé loin de l'équilibre. En physique, l'équilibre décrit une condition dans laquelle les propriétés globales d'un système se sont stabilisées en un équilibre stable. Les systèmes poussés loin de l'équilibre peuvent se comporter de manière compliquée et inattendue, ce qui les rend particulièrement difficiles à comprendre. Pourtant, la mer de Fermi fractionnaire n'est pas simplement une collection de particules excitées se comportant au hasard. Au contraire, elle contient des motifs mathématiques distinctifs qui révèlent une compréhension plus profonde