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Caractériser le rayonnement d’un trou noir acoustique dans un condensat de Bose Einstein

27 novembre 2015

LPTMS - UMR 8626 , LPT - UMR 8627 , LCF - UMR 8501

Des physiciens viennent de montrer que les techniques expérimentales actuelles devraient permettre de détecter et de caractériser la signature quantique du rayonnement émis par l’horizon d’un trou noir acoustique réalisé dans l’écoulement unidimensionnel d’un condensat de Bose Einstein.

L’une des prédictions les plus marquantes du physicien théoricien Stephen Hawking est que les trous noirs gravitationnels émettent un faible rayonnement d’origine quantique. Face aux difficultés théoriques et pratiques posées par l’expérimentation sur un tel objet, les physiciens se sont tournés vers l’étude des systèmes analogues et notamment dans le domaine hydrodynamique. La zone de transition entre une région subsonique et une région supersonique d’un écoulement constitue pour les ondes acoustiques l’analogue de l’horizon d’un trou noir car les ondes acoustiques ne peuvent pas remonter l’écoulement supersonique. Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS/IOGS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique théorique d’Orsay - LPT (CNRS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique théorique et de modèles statistiques - LPTMS (CNRS/Univ. Paris-Sud) et du centro Fermi, viennent de montrer dans une étude théorique qu’en choisissant comme fluide un condensat de Bose Einstein il devrait être possible de mettre en évidence un rayonnement sonique émis par l’horizon acoustique qui est l’analogue du rayonnement de Hawking émis par l’horizon d’un trou noir gravitationnel. La méthode proposée, qui consiste à mesurer les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon sonique devrait permettre d’en caractériser les propriétés quantiques en s’affranchissant du bruit thermique. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Pour ce travail, les physiciens ont analysé théoriquement l’écoulement d’un condensat de Bose-Einstein piégé dans une configuration assurant un écoulement unidimensionnel. Un potentiel extérieur jouant un rôle d’obstacle produit dans le condensat un écoulement subsonique en amont de l’obstacle et supersonique en aval. Les chercheurs ont modélisé l’onde de matière que forme le condensat de Bose-Einstein par un champ quantique dont la dynamique est gouvernée par une équation permettant d’analyser les fluctuations quantiques au voisinage de la solution classique qui décrit l’écoulement du condensat. Dans ce cadre ils ont déterminé la matrice de diffusion permettant de relier les fluctuations repartant du système étudié aux fluctuations qui y parviennent. Ceci leur a permis de montrer que la formation d’un horizon sonique se traduit par l’apparition de deux pics distincts dans la distribution des vitesses des particules. Les physiciens ont également analysé les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon, et ont identifié des signaux de corrélation spécifiques, qui n’apparaissent que lorsqu’un horizon sonique est présent. Certains de ces signaux correspondent alors aux corrélations entre les canaux d’émission des paires issues des fluctuations du vide. Ces corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d’autre de l’horizon permettent de remonter à l’origine quantique du phénomène et de prouver que les paires émises sont intriquées. Cette intrication est démontrée en comparant l’intensité des corrélations croisées (sur les canaux d’émission “Hawking” et “partenaire” - voir figure) au simple produit des corrélations intra-canal. Ce critère s’avère particulièrement robuste vis à vis des fluctuations thermiques, et devrait pouvoir être accessible expérimentalement avec des condensats dont les caractéristiques sont semblables à ce qui est usuellement réalisé dans les laboratoires.

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A gauche : schéma d’un écoulement comprenant une région supersonique. Une onde sonore émise dans la région subsonique (en blanc sur la figure) se propage dans toutes les directions (fronts d’onde rouges). La même onde émise dans la région supersonique (grisée sur la figure) est entrainée par l’écoulement et ne peut pas sortir de la région grisée qui se comporte donc comme l’intérieur d’un trou noir. A droite : même configuration, mais ici en l’absence d’émetteur sonore. Les fluctuations quantiques au voisinage de la frontière entre les régions sub- et super-soniques (l’horizon sonique) pilotent l’émission de paires de particules corrélées, des “quanta de son” dénotés “Hawking” et “partenaire” sur la figure.

En savoir plus

Quantum signature of analog Hawking radiation in momentum space
D. Boiron1, A. Fabbri2, P.-E. Larré3, N. Pavloff4, C. I. Westbrook1, et P. Zin5, Physical Review Letters 115, 025301 (2015)

Contact chercheur

Nicolas Pavloff, professeur de l’Université Paris-Sud

Informations complémentaires

1 Laboratoire Charles Fabry (LCF)
2 Centro Studi e Ricerche E. Fermi,, Dipartimento di Fisica dell’Universita di Bologna, Italy, Departamento de Fisica Teorica and IFIC, Universidad de Valencia-CSIC, Spain, Laboratoire de Physique Theorique (LPT CNRS)
3 INO-CNR BEC Center and Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, Italy
4 Laboratoire de Physique Theorique et Modeles Statistiques (LPTMS)
5 National Centre for Nuclear Research, Warsaw, Poland

Contacts INP

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