Simulation de l'univers primordial dans un condensat de Bose-Einstein

En théorie quantique des champs (notre meilleure description de la physique des particules), l’espace « vide » n’est jamais réellement vide. Il fourmille plutôt de fluctuations, de minuscules oscillations susceptibles de se transformer en particules si un processus physique les active. L’un de ces processus possibles est l’amplification paramétrique, une réponse résonnante à une oscillation multiplicative, un phénomène que l’on rencontre souvent en physique, par exemple lors de la génération d’ondes à la surface d’un liquide vibrant ou pour expliquer la création de particules dans l’univers primordial.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Laboratoire Charles Fabry (LCF, CNRS / IOGS)

• Physique et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Énergétique (Institut P', CNRS)

Dans une expérience récente, des physiciennes et physiciens ont créé une telle expérience de résonance paramétrique dans un gaz d’hélium ultra-froid (25 nanoKelvin au-dessus du zéro absolu),  maintenu en place par des faisceaux laser. L’intensité d’un laser est modulée dans le temps afin d’induire une oscillation du gaz et de déclencher une amplification paramétrique, menant à une création de phonons (les excitations du gaz), bien observée expérimentalement (voir figure). Cependant, comme les phonons déjà présents du fait de la température non nulle du gaz sont eux aussi amplifiés, les chercheurs ont procédé à une vérification supplémentaire, nécessaire pour certifier que les fluctuations du vide avaient bien servi de germe. La preuve en a été apportée en montrant que les phonons sont créés par paires intriquées, c’est-à-dire avec des corrélations trop fortes pour être décrites par une physique classique (non quantique). L’observation de cette intrication, prédite théoriquement, n’avait jusqu’à présent jamais été réalisée expérimentalement. Le bon accord observé par les chercheurs entre théorie et expérience valide ainsi l’utilisation de ce système expérimental comme simulateur quantique pour étudier des dynamiques résultant de la résonance paramétrique.

Les résultats de cette expérience ouvrent la voie à l’étude du comportement du gaz lorsque les phonons créés deviennent nombreux et commencent à interagir entre eux. Ce régime est particulièrement intéressant, car il présente de fortes analogies avec la thermalisation des particules dans l’univers primordial, mais reste difficile à décrire analytiquement. Ce travail est publié dans les Physical Review Letters.