Du condensat de Bose au verre de Bose

Si la condensation de Bose-Einstein et la localisation d’Anderson sont deux effets quantiques maintenant bien étudiés et observés expérimentalement, l’association de ces deux phénomènes était restée jusqu’à présent élusive. Pour observer ce phénomène, une collaboration internationale de physiciens dont le laboratoire de physique de l’ENS Lyon (CNRS - ENS Lyon - Univ. Claude Bernard Lyon 1) a eu recourt à une « simulation quantique » en effectuant leurs expériences sur un système magnétique dont les états collectifs miment le comportement de particules quantiques matérielles. Ils ont alors observé et caractérisé les propriétés physiques de ce nouvel état et la manière dont s’effectue la transition entre la phase « condensat de Bose » et la phase « verre de Bose ». Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature.

Pour ce travail, les physiciens ont étudié un système de moments magnétiques atomiques (les spins) en interaction dans un matériau magnétique (le dichloro-tetrakis-thiourea Nickel, ou DTN). L’aimantation induite par le champ de ce composé ont la même description mathématique qu’un ensemble de particules matérielles libres. Dans ce système, la condensation de Bose se manifeste comme ordre magnétique spontané : les spins s’orientent dans un motif qui se répète à une échelle macroscopique, de la même façon que la fonction d’onde qui décrit les bosons dans un condensat montre le même motif d’oscillation à grande échelle. Pour atteindre les conditions de la localisation d’Anderson, les physiciens ont introduit du désordre dans ce matériau en dopant celui-ci, c’est à dire en remplaçant aléatoirement quelques atomes de Chlore par des atomes de Brome. L’application d’un champ magnétique sur l’échantillon permet de contrôler la densité des bosons constitués par les excitations magnétiques et donc la force de leur interaction. Pour de faible densités, ces bosons condensent dans plusieurs états quantiques localisés. En revanche, à partir d’une densité critique de bosons, un effet coopératif introduit des corrélations entre les diverses états localisés et une fraction finie des bosons se retrouve dans le même état quantique : le verre de Bose est devenu un condensat de Bose-Einstein. L’accord remarquable entre expérience et théorie montre l’intéret de cette « simulation quantique ». Il donne confiance que le DTN dopé réalise d’une façon fidèle une physique qui est pertinente pour plusieurs autres systèmes, comme les supraconducteurs désordonnés, l’hélium liquide dans des milieux poreux, ou encore les atomes froids dans des potentiels optiques aléatoires.

Caricature de la transition d’une phase de verre de Bose (Bose glass à gauche) à une phase de condensat de Bose (BEC - Bose–Einstein condensate à droite). Dans la phase verre de Bose, les bosons piégés dans des ilots localisés sont associés à l’apparition d’un ordre magnétique local (indiqué pas les flèches), sans corrélation entre ilots. L’application d’un champ magnétique mène le système vers une phase de condensat où les bosons sautent entre ilots localisés, établissant de l’ordre magnétique à grande échelle.