Atomes dans le désordre : en arrière toute !

Lorsque des particules se déplacent dans un milieu désordonné, leur vitesse est modifiée de manière aléatoire. La mémoire de la direction initiale du mouvement est perdue progressivement : c’est le phénomène de diffusion. A très basse température, lorsqu’il devient nécessaire de décrire ces particules de façon quantique, au moyen d’ondes de matière, un nouvel effet physique vient s’ajouter à ce phénomène de diffusion : les interférences entre des ondes ayant suivi des chemins différents. Une expérience réalisée au laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS - Institut d’Optique Graduate School) vient de mettre en évidence une signature de ces interférences en étudiant des atomes ultra-froids évoluant dans un champ lumineux aléatoire désordonné : l’apparition d’un « pic de rétrodiffusion » dans la distribution des vitesses. En plus d’une diffusion uniforme associée à la perte de mémoire complète de la direction initiale, on observe le renforcement de la diffusion dans la direction exactement opposée à la direction initiale. Cette observation peut être considérée comme une signature directe des effets de cohérence dans le transport quantique de particules dans un milieu désordonné, responsable de la localisation faible, un précurseur de la localisation d’Anderson. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters ¹.

Pour réaliser cette expérience, les chercheurs ont utilisé un nuage d’atomes de rubidium refroidis à une température inférieure à 1 nanokelvin, ce qui correspond à des vitesses de l’ordre du dixième de millimètre par seconde et la taille d’un paquet d’onde (i.e., une longueur de cohérence) de l’ordre de 8 micromètres. Ce nuage d’atomes, maintenu en lévitation par un champ magnétique, est ensuite accéléré à une vitesse de trois millimètres par seconde. A ce moment, les physiciens allument une onde de lumière dont la répartition spatiale est granulaire et qui agit sur les atomes comme un paysage vallonné aléatoire. Dans ce milieu, le libre parcours moyen des atomes, c’est-à-dire la distance entre deux diffusions par le potentiel aléatoire, est bien plus faible que la longueur de cohérence atomique. Dès lors, les interférences entre les différentes ondelettes de matière sont préservées et s’organisent pour augmenter la probabilité de « revenir en arrière » par rapport à celle d’être diffusée dans toutes les autres directions. Ce pic de rétrodiffusion a été observé directement en profitant des spécificités offertes par les atomes ultra-froids, ici la possibilité de mesurer la distribution en vitesse des atomes et de résoudre son évolution temporelle suite aux événements de diffusion successifs (voir figure). Ce système donne un accès direct à des phénomènes très difficiles à observer autrement ou à calculer numériquement. Il est donc à ranger dans le domaine très actif des simulateurs quantiques. Au-delà de leur intérêt fondamental, ces expériences peuvent à terme déboucher sur des applications, par exemple en donnant une meilleure compréhension des propriétés de conduction des matériaux amorphes.

Notons qu’une expérience similaire, réalisée à l’Institut Non Linéaire de Nice - INLN (CNRS - Université de Nice), visant à observer le phénomène de rétrodiffusion cohérente, a récemment donné lieu à l’observation d’un phénomène inattendu d’écho vers l’arrière, mais qui est de nature complètement différente (G. Labeyrie et al., arXiv 1206.0845).

Observation du pic de rétro-diffusion cohérente d’atomes ultra-froids lancé dans un potentiel désordonné.
La figure montre l’évolution de la distribution en vitesse des atomes. L’onde de matière incidente, d’impulsion bien définie p_i, est diffusée aléatoirement dans toutes les directions p’, de sorte que la distribution se répartit sur un anneau de rayon |p_i| (|p’|=|p_i| par conservation de l’énergie). Un pic, appelé pic de rétro-diffusion cohérente, apparaît autour de la direction –p_i. Ce phénomène, purement quantique, est dû à un effet d’interférence constructive entre les amplitudes de probabilité associées à différents chemins de diffusion.

¹ Mise en relief par un "Viewpoint" dans Physics (SE Skipetrov, Physics 5, 123 (2012)