Des atomes réalisent un état de Laughlin

La découverte des effets Hall quantiques dans les années 1980 révéla l'existence de nouveaux états de la matière nommées "états de Laughlin", en l'honneur du Prix Nobel américain qui les caractérisa de manière théorique. Ces états exotiques se manifestent spécifiquement dans des matériaux 2D, à basse température et en présence d'un champ magnétique intense. Dans un état de Laughlin, les électrons forment un liquide étonnant, dans lequel chaque électron tourbillonne autour de ses congénères tout en essayant de les éviter autant que possible. Exciter un tel liquide quantique génère des états collectifs que les physiciens associent à des particules fictives, et dont les propriétés diffèrent drastiquement de celles des électrons: ces "anyons" ont une charge fractionnaire (une fraction de la charge élémentaire) et échappent curieusement à la classification habituelle des particules en termes de bosons ou fermions. 

Les physiciens ont longtemps exploré la possibilité de réaliser des états de Laughlin dans d'autres systèmes que les matériaux issus de la physique du solide, afin d'en étudier davantage leurs propriétés surprenantes. Cependant, les ingrédients nécessaires (la nature 2D du système, le champ magnétique intense, les fortes corrélations entre les particules) s'avèrent extrêmement contraignants. 

Dans un article paru dans la revue Nature, une équipe internationale dont fait partie Nathan Goldman - Systèmes complexes et Mécanique statistique, Faculté des Sciences - décrit la première réalisation d'un état de Laughlin avec des atomes neutres ultrafroids manipulés par des lasers. L'expérience consiste à piéger quelques atomes dans un boîte optique, et à implémenter les ingrédients nécessaires à la création de cet état exotique: un champ magnétique synthétique intense et une repulsion importante entre les atomes. Dans leur article, les auteurs révèlent des propriétés caractéristiques de l'état de Laughlin, en imageant les atomes un à un à l'aide d'un puissant microscope à gaz quantique. Ils démontrent la "danse" particulière des particules, qui orbitent les unes autour des autres, ainsi que la nature fractionnaire de cet état de Laughlin atomique.

Ce travail majeur ouvre un nouveau champ d'exploration des états de Laughlin et de ses cousins (e.g. les états de Moore-Read) dans les simulateurs quantiques. La possibilité de créer, d'imager et de manipuler des anyons sous un microscope à gaz quantique est particulièrement prometteuse, en vue d'exploiter leurs propriétés uniques au laboratoire.