Fig.1. La modulation d’amplitude d’un laser induit l’oscillation du gaz ultrafroid et déclenche une amplification paramétrique (i). Le gaz est ensuite relâché et chaque phonon créé transmet sa vitesse à un atome témoin qui s’échappe du nuage principal durant la chute libre du nuage (ii). Une galette de microcanaux couplée à des lignes à retard (iii) permet ensuite de mesurer le temps d’arrivée et la position d’atomes individuels. Les phonons ainsi créés apparaissent comme deux pics de densité de part et d'autre du pic principal dans le signal temporel.
Observation de l’intrication de quasiparticules
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Observation de l’intrication de quasiparticules
Créer des particules à partir des fluctuations du vide
Une équipe de recherche du laboratoire Charles Fabry (CNRS / Institut d’Optique / Université Paris-Saclay) a observé l’intrication de quasiparticules créées en secouant un gaz ultra-froid. Cette intrication permet d’établir que ces quasiparticules ont été créées à partir des fluctuations du vide.
L’espace vide, en théorie quantique des champs, n’est jamais totalement vide. Il fourmille plutôt de fluctuations du vide, de minuscules oscillations susceptibles de se transformer en particules si un processus physique les active. Pour simuler cet espace « vide » et tenter de créer des particules à partir des fluctuations du vide, les physiciens du laboratoire Charles Fabry ont utilisé un gaz d’hélium froid à 25 nanoKelvin. Leur expérience ne porte pas directement sur des particules mais sur des excitations collectives appelées quasiparticules. Ces quasiparticules correspondent au mouvement collectif de l’ensemble des atomes du gaz et sont analogues à des phonons, des ondes sonores quantifiées, présentes dans la matière.
Le gaz ultrafroid d’hélium est maintenu en place par des faisceaux laser. L’intensité d’un des lasers est modulée dans le temps afin d’induire une oscillation du gaz et de déclencher une amplification paramétrique.
L’amplification paramétrique est une réponse résonante à une oscillation, un phénomène omniprésent en physique. C’est ce qui explique par exemple l’apparition d’ondes à la surface d’un liquide lorsqu’on le fait vibrer verticalement de façon périodique. L’amplification paramétrique est également l’un des processus physiques capable de transformer les fluctuations du vide en particule ou quasiparticule.
Dans l’expérience menée au laboratoire Charles Fabry, l’amplification paramétrique donne naissance à des phonons qui sont détectés par le système expérimental (Fig.1). Cependant, du fait de la température non-nulle du gaz, des phonons étaient déjà présents avant l’excitation paramétrique et sont eux aussi amplifiés. Une vérification supplémentaire était nécessaire pour confirmer que les fluctuations du vide avaient bien servi de germe.
L’équipe de recherche a montré 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). Cette intrication est la preuve que les fluctuations du vide sont à l’origine de ces quasiparticules. L’observation de cette intrication, prédite théoriquement, n’avait jusqu’à présent jamais été réalisée expérimentalement.
Un résultat collaboratif
Les résultats des travaux conduits au laboratoire, publiés dans Physical Review Letters [1], ont été rendus possibles par d‘importants progrès, à la fois théoriques et expérimentaux. Une collaboration avec IJCLab (Université Paris-Saclay / CNRS / Université Paris-Cité) a permis de mieux décrire la dynamique globale du système et de mieux comprendre comment l’intrication quantique entre les phonons est affectée par les propriétés du gaz (densité, température) [2,3]. Au sein du laboratoire Charles Fabry, des travaux théoriques menés en parallèle ont permis de lier la notion d’intrication quantique à la mesure de fonctions de corrélations entre particules [4]. Expérimentalement, les chercheurs et chercheuses ont tiré profit d’une caractéristique unique de l’espèce utilisée, l’hélium métastable, qui permet la détection électronique d’atomes uniques via un détecteur développé au sein de l’Université Paris-Saclay [5]. Enfin, ce travail a été rendu possible par les nombreuses améliorations apportées au système expérimental – comme la manipulation des atomes via des impulsions lumineuses façonnées temporellement [6] – ayant permis d'acquérir des données 24h/24 durant trois semaines.
Une analogie avec la cosmologie
Le phénomène d’amplification paramétrique est universel en physique et cette universalité permet de tisser une analogie entre la création de quasiparticules depuis le vide dans ce gaz ultra-froid et la création de particules depuis le vide dans l’univers primordial. Ce type d’expérience se situe dans un domaine plus large, appelé la gravité analogue, dont le but est de façonner des expériences de matière condensée afin de les rendre analogues à des phénomènes cosmologiques, comme les trous noirs ou bien, dans ce cas, la phase de « préchauffage » de l’univers primordial. Dans cette étude, le bon accord entre théorie et expérience observé dans le système expérimental valide son utilisation pour étudier la suite de la dynamique, en analogie avec la phase de réchauffage en cosmologie. Dans cette phase, les quasiparticules commencent à interagir les unes avec les autres et la description théorique du système est plus difficile. Les observations expérimentales fourniront alors de précieuse informations pour mieux décrire le système.
[1] Gondret, V. et al. Observation of entanglement in a cold atom analog of cosmological preheating. Phys. Rev. Lett. 135, 240603 (2025).
[2] Robertson, S., Michel, F. & Parentani, R. Controlling and observing nonseparability of phonons created in time-dependent 1D atomic Bose condensates. Phys. Rev. D 95, 065020 (2017).
[3] Micheli, A. & Robertson, S. Phonon decay in 1D atomic Bose quasicondensates via Beliaev-Landau damping. Phys. Rev. B 106, 214528 (2022).
[4] Gondret, V. et al. Quantifying Two-Mode Entanglement of Bosonic Gaussian States from Their Full Counting Statistics. Phys. Rev. Lett. 135, 100201 (2025).
[5] Schellekens, M. et al. Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases. Science 310, 648–651 (2005).
[6] Leprince, C. et al. Coherent coupling of momentum states: Selectivity and phase control. Phys. Rev. A 111, 063304 (2025).