1,5 million d’euros pour une simulation quantique des propriétés des solides
Le physicien néerlandais Rene Gerritsma de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (Rhénanie-Palatinat) a obtenu une bourse pour jeune chercheur du Conseil européen de la recherche (ERC Starting Grant). Cette bourse, d’un montant de 1,5 million d’euros, sera destinée à son travail de simulation quantique à l’aide d’atomes et d’ions ultra-froids. Son projet, baptisé « systèmes quantiques hybrides atome-ion », a principalement pour objectif de simuler les propriétés des solides par la définition d’un modèle de système hybride constitué d’ions ultra-froids en interaction avec un gaz de fermions dégénéré [1].
Vue d’artiste de l’expérience qui sera conduite dans un piège à ions de Paul par l’utilisation d’un champ magnétique quadripolaire. Un cristal d’ions Yb+ sera piégé et entouré d’un nuage d’atomes de lithium piégé optiquement. Le schéma montre les quatre électrodes du piège de Paul, un laser pour piéger les atomes, et un cristal ionique (Yb+).
Crédits : Rene Gerritsma, Universität Mainz
Il y a plus de 30 ans, le physicien Richard Feynman a fait le constat de la complexité à simuler des systèmes quantiques par un ordinateur classique. Cette difficulté provient de la propriété que possède ce type de systèmes de pouvoir se trouver simultanément dans une superposition d’états quantiques. Il propose alors de construire un ordinateur quantique [2] qui pourrait prendre en compte les fondements de ces théories (superposition et intrication d’états quantiques) et permettrait ainsi de simuler efficacement le comportement de tout système quantique à grand nombre de particules et d’en comprendre les propriétés.
L’objectif de l’expérience est d’abord d’entrer dans le régime ultra-froid où les effets quantiques dominent. Le traitement de l’information quantique permet d’utiliser les ions en tant que capteurs de propriétés des atomes. Le chercheur pourra établir à partir de cette expérience un modèle pour une meilleure compréhension des propriétés des solides.
Les solides sont constitués d’un réseau périodique de noyaux atomiques positifs entouré d’un gaz de fermions dégénéré. Les propriétés macroscopiques dépendent de facteurs structuraux. Par exemple, la propriété de conductivité dépend de l’interaction entre les électrons et les noyaux du réseau. La transition de phase influant sur ce paramètre dépend en outre des mouvements d’oscillation de ce réseau. Jusqu’à présent, les modèles étaient limités. A titre d’exemple, la transition d’un isolant de Mott [3] vers un supraconducteur pourrait être étudiée avec un simulateur quantique à atomes ultra-froids. Cependant, il n’existe pour le moment aucun modèle de système atomique dans lequel l’influence de la vibration du réseau des électrons peut être simulée, alors que ces phénomènes jouent un rôle, comme explicité précédemment. De plus, les interactions électrons-électrons induites par les vibrations globales du réseau de noyaux sont une cause présumée de la supraconductivité à haute température. La recherche dans ce domaine est donc intéressante puisque ce phénomène reste quasiment inexpliqué et que les applications sont prometteuses, notamment pour le transport et le stockage de l’énergie.
En particulier, l’expérience de Rene Gerritsma consistera à laisser interagir de manière contrôlée des cristaux ioniques d’ytterbium (comme un réseau de noyaux atomiques) et un gaz ultra-froid d’atomes de lithium (en tant que gaz d’électrons de Fermi). L’ytterbium a été choisi car il s’agit d’après le chercheur de l’ion utilisable le plus lourd connu, dans le sens où les transitions atomiques sont aisément atteignables par refroidissement laser. Le lithium, quant à lui, figure parmi les atomes les plus légers et est facile à refroidir.
Pour en savoir plus, contacts :
– [1] Voir la page Wikipedia sur les gaz de fermions dégénérés : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/dZ7uS
– [2] Voir la page Wikipedia sur le calculateur quantique : https://fr.wikipedia.org/wiki/Calculateur_quantique
– [3] Voir la page Wikipedia sur l’isolant de Mott : http://fr.wikipedia.org/wiki/Isolant_de_Mott
– Dr. Rene Gerritsma, Institut de physique, l’Université Johannes Gutenberg de Mayence – tél. : +49 6131 39 20203 – mail : rene.gerritsma@uni-mainz.de
Sources :
« Rene Gerritsma erhält für Quantensimulationen einen ERC Starting Grant in Höhe von 1,5 Mio Euro », dépêche idw, communiqué de presse de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence – 04.07.2013 – http://idw-online.de/pages/en/news542061
Rédacteurs :
Aurélien Filiali, aurelien.filiali@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr