Des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB) ont mis au point un système d’atomes froids de dysprosium dont la dynamique spatiale est corrélée à l’état interne de spin. En interprétant ces degrés de liberté internes discrets comme des sites fictifs du réseau alignés le long d’une dimension synthétique, les atomes se comportent comme des particules se déplaçant en quatre dimensions. Dans cette image, le couplage spin-orbite réalise un champ magnétique généralisé, ce qui permet d’observer l’effet Hall quantique 4D : un phénomène topologique associé à la matière quantique de dimension supérieure. Ce système d’atomes froids, réalisé par l’équipe du LKB, constitue la première réalisation physique de cette classe topologique.
Cette étude montre que la flexibilité des systèmes d’atomes froids et l’utilisation de dimensions synthétiques permettent de créer de nouvelles classes de systèmes quantiques, sans équivalent en physique du solide. L’extension de cette recherche aux systèmes en interaction ouvre la voie à la découverte de phases de la matière encore plus exotiques.
Explication de la figure : La figure illustre la mesure d’une orbite cyclotron d’un paquet d’onde évoluant dans la structure de bande topologique. En plus des trois coordonnées cartésiennes du tracé, la quatrième dimension est encodée dans la taille des points, et le temps d’évolution dans leur couleur. Les chercheurs ont mesuré une orbite cyclotron non planaire, ce qui contraste avec le cas tri-dimensionnel où les orbites cyclotron sont des cercles. Cette mesure illustre une des particularités de la généralisation de l’effet Hall en haute dimension.
Ces résultats sont publiés dans Science :
J.-B. Bouhiron, A. Fabre, Q. Liu, Q. Redon, N. Mittal, T. Satoor, R. Lopes, and S. Nascimbene, Realization of an atomic quantum Hall system in four dimensions, Science 384, 223 (2024)