Un contrôle plus précis sur les phénomènes quantiques va aider à réaliser les progrès de la physique fondamentale et une gamme de nouvelles technologies. Être capable de construire des structures solides avec une extrême résolution à l'échelle nanométrique sera cruciale. Il y aura une synergie plus étroite entre la physique atomique et à l'état solide comme des moyens complémentaires pour sonder les systèmes à plusieurs particules quantiques.
Les principes particuliers de la théorie quantique signifient que, dans un état quantique, un système à plusieurs particules peut présenter un comportement qui serait inconcevable en physique classique. Superfluids, tels que l'hélium liquide à des températures très basses, peut circuler sans viscosité; supraconducteurs peuvent transporter l'électricité avec une résistance absolument nulle.
Ces systèmes tombent dans des états avec ce qu'on appelle la cohérence quantique - exceptionnellement fortes corrélations de comportement parmi de nombreuses particules, qui ne peuvent être interprétés avec la mécanique quantique. Cohérence quantique sous-tend la plupart des phénomènes les plus passionnants de la physique moderne, y compris la supraconductivité à haute température et l'état Hall quantique, dans laquelle plusieurs particules fondamentales forment collectivement une particule composite avec une fraction de la charge élémentaire.
Historiquement, la plupart de ces phénomènes ont été découverts par accident; cependant, les scientifiques ont fait d'énormes progrès dans l'apprentissage pour contrôler le comportement électronique dans les solides, et de créer de véritables phénomènes à plusieurs corps avec des atomes froids. De nouveaux progrès dans les techniques de ce nouveau domaine de l'ingénierie quantique au cours de la prochaine décennie avanceront à la fois physique fondamentale et les nouvelles technologies.
STATUT DU CHAMP
Le contrôle de la cohérence quantique dans les solides a progressé le plus loin dans les semi-conducteurs, dans lesquels les techniques de fabrication modernes permettent de développer des matériaux cristallins presque parfaits et de confiner les électrons dans des espaces resserrés de zéro, une ou deux dimensions, créant ainsi dots respectivement quantiques, des fils ou des puits Un tel confinement précise a permis aux scientifiques de sonder fondamentalement nouvelle physique. Un point quantique, par exemple, est semblable à un atome artificiel dans lequel la liaison des électrons la force, et les niveaux d'énergie de l'atome, peuvent être soigneusement réglés. Par conséquent, les points quantiques ont été utilisés pour créer des dispositifs puissants dans l'électronique et laser optique.
Allant plus loin, les chercheurs ont récemment appris à créer des points quantiques, des fils et des puits qui interagissent les uns aux autres - ou avec d'autres nanostructures tels que des nanotubes de carbone - de manière contrôlée. Cette capacité a révolutionné la compréhension des phénomènes à plusieurs particules fondamentales, y compris le mystère de l'effet Kondo, qui décrit une augmentation de la résistance électrique à basse température en présence d'impuretés d'ions magnétiques dans les cristaux non-magnétiques vieux de plusieurs décennies. Les progrès dans la fabrication de structures semi-conductrices plus précises permettront de créer de nouvelles opportunités pour sonder les phénomènes quantiques cohérents similaires avec une précision sans précédent.
BOSE-EINSTEIN CONDENSATION
Comme des progrès spectaculaires ont été accomplis dans la physique atomique. Il y a quinze ans, après une longue effort, les physiciens finalement observé la condensation de Bose-Einstein - un exemple archétypique de la cohérence quantique dans lequel tous les atomes dans un gaz extrêmement froid se comportent de manière identique. Cette avance de point de repère le coup d'envoi d'une nouvelle ère de la physique à plusieurs corps et les chercheurs ont depuis appris à contrôler la force des interactions atomiques dans ces gaz sur une large gamme. En imposant des champs laser périodiques sur les gaz dilués, à influencer le mouvement atomique d'une manière similaire à la façon dont les champs internes influencent les électrons dans les solides cristallins, les chercheurs ont également été en mesure de sonder les phénomènes plusieurs particules vu précédemment que dans la matière solide .
Ces expériences montrent comment des matériaux solides et des systèmes d'atomes froids offrent des possibilités complémentaires pour explorer roman quantique à plusieurs corps physique. La diversité des éléments atomiques offre une variété quasi illimitée de composés solides pour la découverte possible des Etats-corps , et nanostructures atomiquement précis peut être construit à partir de composés de plus en plus complexes. Physiciens en utilisant des systèmes à atomes froids peuvent syntoniser à quel point les atomes interagissent et la forme des paysages d'énergie optique défini dans lequel ils résident. Cette flexibilité présente des opportunités pour tester certains des modèles les plus élémentaires de la théorie à l'état solide de manière pas possible avec de vrais solides.
DIRECTIONS FUTURES
 |
Figue. 1 | Un seul atome résolu instantané des
distributions de densité. Le condensat de Bose-
Einstein (à gauche) montre de grandes fluctuations
de densité, alors
que celles - ci sont supprimées dans
les isolants de Mott
(milieu et à droite).
|
L'approche à atomes froids a été démon tré pour les systèmes bosoniques - comprenant des particules avec des valeurs entières pour les effets (figure 1.). Un défi majeur est d'étendre cette approche aux particules de systèmes fermioniques, telles que des électrons, de spin demi-entier. Ces systèmes ont des propriétés physiques qui sont notoirement difficiles à calculer. Cela est particulièrement important que la dynamique des systèmes fermioniques pourrait détenir la clé de quelques-uns des phénomènes les plus fascinants de la physique du solide. Par exemple, les systèmes à atomes froids ferm-ioniques peuvent potentiellement être utilisés comme «simulateurs quantiques» - capable de simuler avec précision la physique des fermions fortement en interaction, en particulier dans les réseaux frustrés avec une structure ordonnée qui interdit un état d'énergie minimale et pour lesquels il est jusqu'à présent, aucune solution (voir Zone de surbrillance, en bas à gauche).
Les approches analogues existent dans la physique des solides, où les techniques utilisées pour construire des nanostructures un atome à un moment pourraient offrir un chemin clair pour contrôler les interactions spin-spin d'un nombre macroscopique d'électrons. La réalisation de systèmes modèle de spin dans des structures d'oxydes métalliques complexes (Fig.2) pourrait offrir des indices pour le contrôle et la stabilisation des phénomènes quantiques tels que la supraconductivité à température ambiante.
VERS QUANTUM COMPUTING
 |
| Figue. 2 | Valence Les wavefunctions d'électrons d'un supraconducteur et une surstructure artificielle. Dopée La 2CuO 4 ( à gauche) est un supraconducteur à haute température. Sa structure électronique est copiée dans un superréseau artifi cielle ( à droite) se composant de l'PrNiO métallique 3 et l'isolant PrScO 3. Le comportement des électrons dans ces systèmes en fait des candidats à présenter Engineered à haute température supraconductivité 8,9. |
Une autre vision à long terme de la recherche en physique quantique à plusieurs corps est l'ordinateur quantique, qui exploite le phénomène de la cohérence quantique pour résoudre les problèmes qui sont actuellement intraitables. Un tel dispositif utiliserait les éléments individuels - bits quantiques ou «qubits» - qui peuvent maintenant être réalisés soit sous la forme d'atomes, des molécules ou des ions confinés dans des pièges optiques ou implantés dans les solides ou les microstructures à l'état solide ou nanostructures.
Il est peu probable que les ordinateurs quantiques de bonne foi seront élaborés avant 2020, mais même des appareils limités trouveront app-lications en communication quantique et cryptographie ; ils pourraient également donner un aperçu de la théorie de l' information quantique, ce qui pourrait à son tour stimuler le développement de nouvelles méthodes de calcul pour des problèmes à plusieurs corps .
Il est peu probable que lesordinateurs quantiques de bonne foi seront élaborés avant 2020.
Un autre domaine de recherche étudie les propriétés topologiques des fonctions d'onde à plusieurs corps, dans le but d'éviter des perturbations non désirées par l’environnement. Cette question de la «décohérence» est l'un des principaux obstacles à l'informatique quantique en particulier, et à la physique-corps en général.
Conscient de l'énorme potentiel de cohérence quantique dans les systèmes de nombreuses particules nécessiteront un investissement important dans l'infrastructure de recherche. De nouvelles méthodes expérimentales doivent être développées pour refroidir les gaz d'atomes ou de molécules fermioniques, par exemple, ou pour créer des dispositifs hybrides associant nanostructures semi-conducteurs et des systèmes à atomes froids. Néanmoins, les progrès dans ce nouveau domaine de l'ingénierie quantique promettent un avenir passionnant et surprenant pour la recherche fondamentale et appliquée.
Expériences clés dans ce domaine de recherche en plein développement à la frontière entre la physique du solide et l' optique quantique à l'Institut Max Planck d'optique quantique ont démontré deux états fondamentalement différents des atomes froids sur les réseaux optiques induites par laser: un «Mott isolant» dans lequel tous les atomes sont localisés sur des sites de réseau et un «superfluide» qui peuvent se déplacer à travers le réseau sans aucune résistance. Ce dernier état est analogue à «supraconductivité» des électrons dans les solides