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Physique à petit et grand nombre de corps

par webmaster - publié le

Action coordonnée « Physique à petit et grand nombre de corps »


Rédacteur : M. Lepers.

Les propriétés structurelles, collisionnelles ou réactionnelles des systèmes quantiques dilués, tels que les gaz ultra-froids, les nuages interstellaires ou les plasmas, sont souvent décrites en modélisant les phénomènes à 2 corps se produisant à l’intérieur de ces systèmes. Cette modélisation se base sur deux piliers complémentaires : une connaissance détaillée des interactions entre les deux particules, par exemple grâce à la chimie quantique, et une description soigneuse des collisions élastiques, inélastiques ou réactives entre les deux particules, par des techniques d’équations couplées ou de défaut quantique. Ces deux aspects de la modélisation de phénomènes à 2 corps sont depuis de nombreuses années au cœur du savoir-faire des équipes « Théomol » et « Superex ».
D’un autre côté, l’étude des systèmes quantiques composés d’un « grand » nombre de particules (N>>1) suscite également un important effort de recherche. Ainsi les agrégats, libres ou déposés sur une surface, constituent-ils de longue date l’un des sujets de recherche majeurs du Laboratoire Aimé Cotton au travers des équipes « Nana3 » et « AG-Nano ». Plus récemment, la « simulation » de phénomène de physique de la matière condensée s’est imposée comme un enjeu incontournable dans le domaine des gaz ultra-froids. Cela a par exemple donné lieu à l’observation de la transition de Mott avec un condensat de Bose-Einstein piégé dans un réseau optique. La description théorique de ces phénomènes impliquant un nombre élevé de particules nécessite l’utilisation de méthodes appropriées telles que la théorie quantique des champs, étudiée dans l’équipe « Eticc ». Dans ce cas les interactions à l’intérieur du système, qui sont la somme des interactions entre toutes les paires de particules, sont décrites de façon effective. Par exemple, l’Hamiltonien de Bose-Hubbard suppose une « simple » interaction de contact entre deux particules.
Dans ce contexte, les gaz dipolaires, i.e. dont les particules interagissent via leur moment dipolaire électrique ou magnétique, concentre aujourd’hui un grand intérêt. Car l’interaction dipolaire est anisotrope et de plus longue portée que l’interaction de contact. Cependant, la modélisation de l’interaction dipolaire requiert un soin particulier car elle implique plusieurs états internes de chaque particule, chacun caractérisé par un moment cinétique différent. C’est le cas notamment pour des molécules polaires ou des atomes de Rydberg placés dans un champ électrique. Le but de cet exemple est d’illustrer la nécessité de décrire soigneusement les interactions de paires pour ensuite modéliser des phénomènes dans les systèmes à N corps. Ces deux aspects mettent en jeu des savoir-faire très variés. L’objectif de cet axe transverse est de les rapprocher, afin de modéliser voire de prédire des phénomènes physiques nouveaux. Compte tenu de la taille des systèmes étudiés, l’utilisation du calcul numérique intensif est crucial pour atteindre cet objectif.
Divers initiatives ont d’ores et déjà été lancées dans cette direction, lesquelles pourront être approfondies dans le cadre de cet axe transverse. Dans le contexte des gaz ultra-froids, des recherches sur des phénomènes à 4 corps sont en cours : d’une part dans l’équipe « MFC » elles ont abouti à l’observation de résonances de Förster entre 4 atomes de Rydberg ; d’autre part l’équipe « Théomol » s’intéresse aux interactions et aux collisions entre deux molécules faites d’atomes très faiblement liées. D’autre part, un projet ANR/FWF franco-autrichien a été déposé ; il implique l’équipe « Théomol », des théoriciens spécialistes de la physique quantique à N corps, et l’équipe expérimentale d’Innsbruck. Enfin, dans le contexte des agrégats et nanoparticules, un projet impliquant les équipes « Théomol » et « Nano3 » a été déposé au « Triangle de la Physique ». Son objectif est de proposer la formation d’agrégats sur une surface, à partir d’atomes ou de molécules ultra-froides, dont l’état quantique interne et les interactions peuvent être contrôlées par des champs externes. Ce projet n’a à ce jour pas été financé ; mais la constitution de cet axe transverse peut toutefois contribuer à son lancement.