L'eau dans une tasse refroidit en quelques minutes. Le gaz dans une pièce la remplit uniformément en quelques secondes. Mais si l'on confine des atomes dans un tube de l'épaisseur d'un rayon laser et qu'on les excite vigoureusement, ils mettront plusieurs secondes à « refroidir » vers l'équilibre — une éternité à l'échelle atomique.
Les expérimentateurs ont pris un nuage d'atomes de rubidium et l'ont refroidi jusqu'à l'état de condensat de Bose-Einstein — où tous les atomes se fondent en une seule onde quantique. Ils ont ensuite placé ce nuage dans un faible réseau optique (une « planche à laver » lumineuse) et ont déplacé le piège de sorte que les atomes se retrouvent sur une pente. Grâce à l'effet Wannier-Stark, les atomes sont d'abord restés piégés sur place, puis ont commencé à s'infiltrer vers le haut en énergie par effet tunnel quantique de Landau-Zener.
Le résultat est un ensemble d'atomes avec une énergie élevée presque identique — comme si toutes les boules de billard se trouvaient à la même hauteur sur une colline. Un tel état est appelé microcanonique : l'énergie est fixée, mais différents micro-états sont possibles à l'intérieur de cette énergie.
Vient ensuite le plus intéressant. Les atomes ne se sont pas immédiatement dispersés dans tous les états possibles, comme le prédit la thermodynamique ordinaire. Au lieu de cela, ils ont conservé la « mémoire » de l'arrangement initial pendant plusieurs secondes. Grâce à l'apprentissage automatique, les scientifiques ont reconstruit la fonction de Wigner — une sorte de carte de la distribution des atomes en positions et impulsions — et ont observé comment la distribution microcanonique se transforme lentement en distribution canonique (celle qui décrit l'équilibre thermique habituel).
Pour décrire ce processus, les auteurs ont modifié l'équation de Boltzmann — l'équation classique qui décrit comment les particules entrent en collision. Ils y ont ajouté des termes prenant en compte la faible violation de l'intégrabilité, et ont obtenu un bon accord avec l'expérience.
Ce résultat est important non seulement pour la physique des atomes froids. De nombreux systèmes quantiques — des supraconducteurs aux ordinateurs quantiques — fonctionnent dans un régime où la violation de l'intégrabilité est faible, et comprendre comment ils atteignent l'équilibre est crucial pour prédire leur comportement. Les atomes dans le tube sont devenus un laboratoire idéal pour étudier cette transition.
Dans un tube unidimensionnel, les atomes ne peuvent pas se contourner — les collisions ne se produisent que « de face », ce qui limite fortement l'échange d'énergie. C'est pourquoi l'équilibre thermique est si lent à s'établir.