De la cohérence dans le chaos quantique

Une onde qui se propage dans un milieu désordonné — comme la lumière dans un brouillard épais — perd rapidement la mémoire de sa direction initiale après de multiples diffusions aléatoires. Pourtant, pour une onde cohérente (lumière laser, onde sonore, onde de matière…), la physique quantique prédit que cette mémoire n'est jamais tout à fait effacée. Elle se manifeste dans deux effets d'interférence : une probabilité augmentée de revenir en arrière (rétrodiffusion cohérente, CBS) et, plus surprenant, une probabilité augmentée de continuer dans la direction initiale (diffusion cohérente vers l'avant, CFS). Le CBS est connu depuis les années 1980 et a été observé dans de nombreux systèmes. Le CFS, lui, n'avait jusqu'ici jamais été mesuré directement.

Le CFS est intimement lié à un autre phénomène appelé « localisation d’Anderson », qui s’observe quand le désordre du milieu de propagation est suffisamment intense. Dans ce cas, l'onde cesse de se propager et reste confinée dans une région de l'espace. C'est précisément dans ce régime que le CFS émerge, indiquant que l'onde « se souvient » de son point de départ. C’est le signe que le système n'explore pas uniformément l'espace des états accessibles, contrairement à ce que prédit la physique statistique classique (on dit alors que le système est devenu « non ergodique »). La difficulté expérimentale associée à la détection de ce phénomène vient du fait que mesurer ce dernier requiert d'accéder à la direction de propagation de l'onde localisée, ce qui est difficile à réaliser avec la lumière ou les ondes sonores.

Ces recherches ont été menées dans les unités CNRS suivantes :

• Laboratoire collision agrégats réactivité (LCAR, CNRS / Université de Toulouse)

• Laboratoire de physique théorique (LPT, CNRS/Université de Toulouse)

• Institut de physique de Nice (INPHYNI, CNRS / Université Côte d'Azur)

• IRL MajuLab (CNRS / Sorbonne Université / Université Côte d'Azur, Université Nationale de Singapour / Université de technologie de Nanyang)

Dans un article récent, des scientifiques ont réussi à observer le phénomène dans les ondes quantiques. Ces derniers ont piégé un condensat de Bose-Einstein (un nuage d'atomes de rubidium refroidis près du zéro absolu) dans un réseau optique à une dimension (un piège de lumière périodique pour les atomes), dont ils ont modulé périodiquement la profondeur et la position. Cette modulation induit une dynamique chaotique, analogue à celle d'une particule rebondissant dans une cavité irrégulière. Grâce à des algorithmes de contrôle optimal, ils ont préparé l'onde de matière dans un état initial très localisé en position, puis l'ont laissée évoluer sous ce chaos contrôlé. La mesure complète de l'état quantique final leur a permis de visualiser directement l’émergence des pics CBS et CFS dans la distribution de position. De plus, en faisant varier les paramètres de la modulation, les scientifiques ont pu contrôler les symétries de la dynamique, comme la symétrie de renversement du temps et la symétrie de parité (gauche-droite) et mesurer leur impact précis sur les deux pics. Ils ont montré ce faisant que la présence de ces symétries modifie de façon caractéristique le contraste et la dynamique de croissance du CFS. Ces résultats soulignent que le CFS est non seulement un marqueur robuste de la non-ergodicité, mais aussi un outil de diagnostic des symétries d'un système quantique chaotique (ou désordonné). 

Cette démonstration ouvre des perspectives pour l'étude d'autres formes de non-ergodicité, notamment dans les systèmes quantiques à grand nombre de particules en interaction, où les mécanismes qui en sont à l’origine font l’objet de nombreuses études. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications.