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Exploring the thermodynamics of a universal Fermi gas

8 septembre 2010

Des tas de sable aux étoiles à neutrons, la compréhension du comportement d’un système comprenant un grand nombre de particules constitue l’un des défis majeurs de la physique du XXIème siècle. Lorsque les constituants mis en jeu obéissent aux règles du monde quantique, comme par exemple des électrons dans un solide, le problème devient même tellement ardu que les ordinateurs les plus puissants accessibles dans un futur plus ou moins proche se révèleront impuissants face à ce genre de problème. Une alternative aux calculateurs numériques conventionnels a été suggérée au début des années 80 par le prix Nobel R.P. Feynman : pour étudier un problème mathématiquement ardu, celui-ci a en effet proposé de concevoir un système physique obéissant précisément aux équations à étudier et d’en obtenir la solution par des mesures expérimentales appropriées.

Une telle simulation quantique a été réalisée récemment au laboratoire Kastler Brossel de l’Ecole normale supérieure (ENS) à Paris dans le cas d’un gaz de fermions [1] en interactions fortes : en utilisant les techniques de manipulation d’atomes par la lumière, l’équipe de C. Salomon et F. Chevy a réussi à déterminer l’équation d’état thermodynamique d’un gaz de particules dont la portée des interactions est petite devant leur distance relative. Cette équation d’état est universelle et s’applique aussi bien aux gaz d’atomes ultra-froids qu’à la couche supérieure des étoiles à neutrons.

L’étude réalisée à l’ENS peut s’étendre à beaucoup de situations rencontrées expérimentalement en physique des gaz quantiques et prouve la pertinence du programme proposé par Feynman. L’un des enjeux sera d’utiliser les techniques développées à l’ENS et dans d’autres groupes internationaux pour tenter de comprendre les mécanismes microscopiques de la supraconductivité à haute température critique qui résiste depuis plus de vingt ans aux efforts des physiciens théoriciens de la matière condensée. Une telle percée pourrait à long terme aider à concevoir des matériaux supraconducteurs à température ambiante, ouvrant ainsi la porte à des applications telles que le stockage ou le transport sans perte de l’énergie électrique.

Pour aller plus loin

Page web du groupe

Exploring the thermodynamics of a universal Fermi gas, S. Nascimbène, N. Navon, K. J. Jiang, F. Chevy & C. Salomon, Nature 463, 1057-1060 (25 February 2010) Lien (preprint)

The Equation of State of a Low-Temperature Fermi Gas with Tunable Interactions, N. Navon, S. Nascimbène, F. Chevy, C. Salomon, Science 328, 729 (2010) Lien (preprint)

The equation of state of ultracold Bose and Fermi gases : a few examples, S. Nascimbène, N. Navon, F. Chevy, C. Salomon, arXiv:1006.4052, à paraître dans New Journal of Physics. Preprint

[1] En physique quantique on classe les particules selon deux familles, les bosons et les fermions, nommés d’après les physiciens S. Bose et E. Fermi. Les particules élémentaires telles que l’électron, le proton ou le neutron sont des fermions. Elles obéissent au Principe d’exclusion de Pauli et ne peuvent occuper à deux le même état quantique

Profil de densité d’un gaz de Fermi d’atomes ultrafroids piègés. Bien que la densité soit 24 ordres de grandeur plus faible que dans la couche externe d’une étoile à neutrons, les équations régissant le comportement de ces deux systèmes sont identiques.

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