Les microscopes à gaz quantiques ont révolutionné la simulation quantique en fournissant des images de systèmes à N corps avec une résolution d'un atome. Cependant, ils ne voient que la diagonale de la matrice densité — les occupations des sites. Les éléments hors-diagonale, qui codent les relations de phase entre sites, restaient inaccessibles localement. Des travaux voisins sur arXiv vont dans la même direction : certains proposent un microscope de phase pour les gaz quantiques, d'autres utilisent l'interférométrie de Talbot pour mesurer la cohérence de phase finie, d'autres encore extraient l'ordre hors-diagonal de mesures diagonales. Notre travail s'inscrit dans cette lignée, mais porte pour la première fois la résolution spatiale à un site dans le régime de Hubbard.
Dans l'expérience avec des atomes d'erbium dans une couche bidimensionnelle d'un réseau optique tridimensionnel, le réseau est soudainement coupé, on laisse la fonction d'onde évoluer librement pendant des fractions du temps de Talbot (29 microsecondes pour une demi-période), puis on réapplique un réseau à phase ajustable et on ramène les atomes. En faisant varier la phase du réseau de piégeage, on observe une modulation du remplissage dont l'amplitude est proportionnelle à la cohérence entre sites à une distance donnée. Pour les simulations numériques, on a utilisé DMRG et TEBD.
Dans un piège harmonique, la région centrale avec un remplissage presque unitaire a montré une chute brutale de la cohérence lorsque le rapport interaction/tunnel U/t passe de 10 à 30, ce qui correspond à la transition superfluidité-isolant de Mott. La région de bord, avec un remplissage d'environ un tiers, conservait une cohérence élevée même à U/t≈40. Dans une échelle artificielle à deux chaînes, on a mesuré la cohérence entre seconds voisins : à U/t≈3, elle croissait rapidement avec l'activation du tunnel inter-chaînes, tandis qu'à U/t≈12 elle restait faible. Les données expérimentales concordent quantitativement avec les simulations avec un unique facteur d'échelle global η=0.47.
La différence avec les travaux voisins réside dans la méthode : au lieu d'un long temps de vol ou d'une interférométrie avec plusieurs atomes par site, on utilise ici une courte évolution de Talbot suivie d'un piégeage, ce qui donne une résolution quasi monoculaire dans le régime d'atomes uniques. Cela permet de distinguer des phases coexistantes au sein d'un même nuage, ce qui est impossible lors d'une moyenne sur tout l'échantillon. Ce travail établit un nouveau protocole de mesure pour la microscopie des gaz quantiques.
La technique peut être étendue aux systèmes fermioniques, où une évolution programmable avant la mesure promet de révéler la distribution des impulsions, la structure de la surface de Fermi et des signes de supraconductivité non conventionnelle. On peut également mesurer la cohérence à plus longue distance pour étudier la décroissance en loi de puissance des corrélations dans l'ordre quasi-longue portée.
La méthode influencera la simulation quantique des systèmes fortement corrélés, la métrologie quantique et le développement de simulateurs quantiques avec contrôle local.
Appliquer le microscope aux gaz fermioniques et aux systèmes à topologie non triviale, et améliorer l'efficacité du piégeage pour quantifier η.
En physique des atomes ultra-froids, la question des transitions de phase locales dans les systèmes inhomogènes et la nature de l'ordre quasi-longue portée dans les gaz quantiques de basse dimension restent ouvertes. Cette méthode fournit un outil pour mesurer directement les corrélations hors-diagonales nécessaires pour tester les théories.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Dans ce travail, un microscope quantique de cohérence a été développé, qui, grâce à l'effet Talbot, cartographie les corrélations hors diagonale sur la densité atomique avec une résolution quasi-single-site. La méthode a été validée sur la transition superfluidité–isolant de Mott et sur une échelle artificielle, où la cohérence a pu être mesurée au-delà des plus proches voisins. Les données expérimentales concordent avec les simulations numériques avec un seul facteur d'échelle.
Où est sa force
La méthode permet de mesurer localement les corrélations de phase en régime d'atomes individuels, ouvrant la voie à l'étude de phases quantiques spatialement inhomogènes et de phases coexistantes au sein d'un même nuage.
Vers où avancer
À essayer
Travaux voisins dans notre archive
Le travail le plus proche de l'archive se situe à 0.68 par le sens — le niveau habituel de notre corpus.
L'effet Talbot, utilisé ici, a été décrit par Henry Fox Talbot en 1836 pour la lumière traversant un réseau. Aujourd'hui, il aide à observer les gaz quantiques avec une précision d'un atome.