L'ensemble des niveaux d'énergie qu'un système peut occuper lorsqu'il est excité depuis son état fondamental.Le spectre d'excitation d'un système est l'ensemble des niveaux d'énergie qu'il peut occuper lorsqu'il est promu depuis son état fondamental. C'est comme une empreinte digitale de la dynamique interne du système, révélant comment l'énergie est absorbée ou émise en quanta discrets. Pour les atomes, ce spectre est la série familière de raies spectrales ; pour des systèmes plus complexes comme les gaz quantiques ou les cristaux, il inclut des excitations collectives telles que les phonons ou les magnons.
Le concept de spectres d'excitation discrets remonte au début du XXe siècle avec le modèle de l'atome d'hydrogène de Bohr, formalisé plus tard par la mécanique quantique.
Lorsqu'un système absorbe de l'énergie, il transite vers un état d'énergie plus élevée. Le spectre d'excitation répertorie tous ces états possibles, chacun avec une énergie spécifique. La structure de ce spectre est déterminée par le hamiltonien du système, qui encode les interactions et le confinement. Mesurer le spectre—par exemple, en diffusant des particules ou des photons sur le système—révèle les niveaux d'énergie autorisés et leurs durées de vie, offrant ainsi une fenêtre directe sur la physique sous-jacente du système.
Les spectres d'excitation sont utilisés en spectroscopie pour identifier les matériaux, en informatique quantique pour caractériser les niveaux d'énergie des qubits, et en physique de la matière condensée pour sonder des phases exotiques comme les supraconducteurs.
Le spectre d'excitation de l'hélium-4 superfluide présente un minimum de roton, une chute d'énergie à une impulsion spécifique, qui a constitué une énigme majeure jusqu'à ce que Landau l'explique comme un précurseur de la turbulence.
