Faire vibrer des atomes pour recréer en laboratoire le chaos quantique des trous noirs

Des physiciennes et physiciens ont découvert une méthode étonnamment simple pour reproduire l’un des modèles les plus fascinants de la physique moderne, lié aux trous noirs, au chaos quantique et aux matériaux électroniques exotiques, à l’aide d’atomes ultrafroids piégés par la lumière. Plutôt que de construire un système extrêmement complexe à partir de zéro, les chercheurs montrent qu’en « faisant vibrer » délicatement un réseau optique standard, il est possible de le transformer en un simulateur fidèle du modèle de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK), un modèle théorique célèbre pour son comportement quantique extrême et atypique.

Dans leur approche, l’équipe — Nathan Goldman et Marco Schiró (Collège de France), en collaboration avec Charles Creffield et Fernando Sols (Université Complutense de Madrid) — module périodiquement le déplacement des atomes entre les différents sites du réseau optique. Ce pilotage soigneusement conçu supprime le mouvement habituel des particules individuelles et fait émerger des interactions effectives impliquant simultanément un grand nombre de particules. Le système reproduit ainsi la caractéristique essentielle du modèle SYK : un réseau dense de connexions, semblables à des interactions aléatoires, reliant toutes les particules. Bien que le système obtenu ne soit pas parfaitement aléatoire, des calculs numériques détaillés montrent qu’il reproduit les signatures majeures de la physique du modèle SYK, notamment un fort chaos quantique et une « dispersion » (scrambling) très rapide de l’information quantique, un comportement souvent associé à la physique des trous noirs.

Surtout, cette méthode peut être mise en œuvre avec les technologies actuelles des atomes ultrafroids, ce qui en fait une plateforme expérimentale réaliste et accessible. Elle ouvre ainsi la voie à l’étude de phénomènes particulièrement difficiles à observer, comme la propagation de l’information quantique dans des systèmes fortement corrélés ou le comportement de la matière quantique complexe loin de l’équilibre. Plus largement, ces travaux montrent comment un pilotage périodique — en imposant un rythme contrôlé au système — peut transformer des dispositifs expérimentaux relativement simples en outils puissants pour explorer certaines des questions les plus profondes de la physique moderne.

Pour en savoir plus : https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/r8zs-qvj3