Comment observer un paquet d’onde quantique in situ ?

Depuis les travaux de Louis de Broglie en 1924, la notion de dualité onde-particule est au cœur de la mécanique quantique. Lorsqu’un atome est confiné dans un piège, sa fonction d’onde est localisée comme une particule le serait, mais dès qu’il en est libéré (par extinction du piège), elle s’étale progressivement dans l’espace, selon une évolution prédite par la célèbre équation de Schrödinger. Observer directement la dynamique d’un tel objet dans l’espace libre est un défi expérimental majeur qui permettrait d’accéder aux propriétés fondamentales de nombreux systèmes quantiques. Jusqu’à présent, les expériences sur les gaz quantiques, dotées d’une résolution au niveau de l’atome individuel – une technique connue sous le nom de microscopie de gaz quantique – étaient limitées à des ensembles d’atomes évoluant dans une structure discrète faite de pièges périodiques spatialement, et ne permettaient pas l’étude de systèmes quantiques continus.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires suivants :

• Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Collège de France/ENS-PSL/Sorbonne Université)
• Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (LCAR, CNRS/Université de Toulouse)

Une récente étude ouvre la voie à la microscopie de gaz quantique en espace continu. Dans leur expérience, réalisée au Laboratoire Kastler Brossel, les chercheurs ont d’abord préparé des paquets d’onde d’atomes individuels de lithium confinés dans les puits de potentiel d’un réseau optique. Une fois relâchés dans un plan où ils pouvaient évoluer librement, ces atomes ont été recapturés grâce à une méthode de projection dans un réseau optique profond, permettant d’obtenir une reconstruction précise de leur déplacement. En répétant cette expérience sur un grand nombre d’atomes, les chercheurs ont pu reconstituer l’évolution spatio-temporelle de la fonction d’onde avec une fidélité inégalée. Cette étude établit un protocole permettant de projeter un atome depuis l’espace continu vers le site du réseau le plus proche de manière contrôlée, avec une fidélité supérieure à 99%, et pose les bases de la microscopie de gaz quantique en espace continu. La méthode d’imagerie développée ici peut ainsi être comparée à un « capteur CCD » pour fonctions d’onde atomiques.
Au-delà de cette validation expérimentale, la nouvelle méthode d’imagerie d’atomes individuels développée par le groupe de chercheurs ouvre la voie à l’étude de systèmes quantiques plus complexes en espace continu. Cette méthode d’imagerie est déjà utilisée par les chercheurs de l’étude pour explorer à l’échelle microscopique des systèmes de fermions fortement corrélés, qui sont difficiles à aborder sur le plan théorique. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.