20 mars 2024 (Actualités Nanowerk) Les scientifiques ont pour la première fois créé un vortex quantique géant pour imiter un trou noir dans de l'hélium superfluide, ce qui leur a permis de voir plus en détail comment les trous noirs analogiques se comportent et interagissent avec leur environnement. Des recherches menées par l'Université de Nottingham, en collaboration avec le King's College de Londres et l'Université de Newcastle, ont créé une nouvelle plateforme expérimentale : une tornade quantique. Ils ont créé un vortex tourbillonnant géant dans de l’hélium superfluide refroidi aux températures les plus basses possibles. Grâce à l'observation de la dynamique des ondes infimes à la surface du superfluide, l'équipe de recherche a montré que ces tornades quantiques imitent les conditions gravitationnelles à proximité des trous noirs en rotation. La recherche a été publiée dans Nature (« Signatures spatio-temporelles incurvées en rotation d'un vortex quantique géant »).
Installation expérimentale dans le laboratoire utilisé dans la recherche sur les trous noirs. (Image : Leonardo Solidoro) L'auteur principal de l'article, le Dr Patrik Svancara de l'École des sciences mathématiques de l'Université de Nottingham, explique : « L'utilisation de l'hélium superfluide nous a permis d'étudier de minuscules ondes de surface avec plus de détails et de précision qu'avec nos expériences précédentes. dans l'eau. Comme la viscosité de l’hélium superfluide est extrêmement faible, nous avons pu étudier minutieusement son interaction avec la tornade superfluide et comparer les résultats avec nos propres projections théoriques. L'équipe a construit un système cryogénique sur mesure capable de contenir plusieurs litres d'hélium superfluide à des températures inférieures à -271 °C. À cette température, l’hélium liquide acquiert des propriétés quantiques inhabituelles. Ces propriétés empêchent généralement la formation de vortex géants dans d’autres fluides quantiques comme les gaz atomiques ultra-froids ou les fluides quantiques de lumière. Ce système démontre comment l’interface de l’hélium superfluide agit comme une force stabilisatrice pour ces objets.
Le Dr Svancara poursuit : « L’hélium superfluide contient de minuscules objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’écarter les uns des autres. Dans notre configuration, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, obtenant ainsi un flux vortex d’une force record dans le domaine des fluides quantiques. Les chercheurs ont découvert des parallèles intrigants entre le flux vortex et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les simulations des théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.
Le professeur Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux au Black Hole Laboratory où cette expérience a été développée, souligne l'importance de ces travaux : « Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs dans notre première expérience analogique en 2017, ce fut un moment décisif. pour comprendre certains des phénomènes bizarres qu'il est souvent difficile, voire impossible, d'étudier autrement. Aujourd’hui, grâce à notre expérience plus sophistiquée, nous avons poussé cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait éventuellement nous amener à prédire comment les champs quantiques se comportent dans des espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques. Cette recherche révolutionnaire est financée par une subvention de 5 millions de livres sterling du Science Technology Facilities Council, répartie entre les équipes de sept institutions britanniques de premier plan, dont l'Université de Nottingham, l'Université de Newcastle et le King's College de Londres. Le projet a également été soutenu à la fois par la subvention du réseau UKRI sur les simulateurs quantiques pour la physique fondamentale et par la bourse Leverhulme Research Leaders détenue par le professeur Silke Weinfurtner.
Le point culminant de cette recherche sera célébré et exploré de manière créative dans une exposition ambitieuse intitulée Cosmic Titans à la Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, du 25 janvier au 27 avril 2025 (et en tournée dans des lieux au Royaume-Uni et à l'étranger). L'exposition comprendra des sculptures, des installations et des œuvres d'art immersives récemment commandées par des artistes de premier plan, dont Conrad Shawcross RA, qui résultent d'une série de collaborations innovantes entre artistes et scientifiques facilitées par l'ARTlab Nottingham.
Installation expérimentale dans le laboratoire utilisé dans la recherche sur les trous noirs. (Image : Leonardo Solidoro) L'auteur principal de l'article, le Dr Patrik Svancara de l'École des sciences mathématiques de l'Université de Nottingham, explique : « L'utilisation de l'hélium superfluide nous a permis d'étudier de minuscules ondes de surface avec plus de détails et de précision qu'avec nos expériences précédentes. dans l'eau. Comme la viscosité de l’hélium superfluide est extrêmement faible, nous avons pu étudier minutieusement son interaction avec la tornade superfluide et comparer les résultats avec nos propres projections théoriques. L'équipe a construit un système cryogénique sur mesure capable de contenir plusieurs litres d'hélium superfluide à des températures inférieures à -271 °C. À cette température, l’hélium liquide acquiert des propriétés quantiques inhabituelles. Ces propriétés empêchent généralement la formation de vortex géants dans d’autres fluides quantiques comme les gaz atomiques ultra-froids ou les fluides quantiques de lumière. Ce système démontre comment l’interface de l’hélium superfluide agit comme une force stabilisatrice pour ces objets.
Le Dr Svancara poursuit : « L’hélium superfluide contient de minuscules objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’écarter les uns des autres. Dans notre configuration, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, obtenant ainsi un flux vortex d’une force record dans le domaine des fluides quantiques. Les chercheurs ont découvert des parallèles intrigants entre le flux vortex et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les simulations des théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.
Le professeur Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux au Black Hole Laboratory où cette expérience a été développée, souligne l'importance de ces travaux : « Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs dans notre première expérience analogique en 2017, ce fut un moment décisif. pour comprendre certains des phénomènes bizarres qu'il est souvent difficile, voire impossible, d'étudier autrement. Aujourd’hui, grâce à notre expérience plus sophistiquée, nous avons poussé cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait éventuellement nous amener à prédire comment les champs quantiques se comportent dans des espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques. Cette recherche révolutionnaire est financée par une subvention de 5 millions de livres sterling du Science Technology Facilities Council, répartie entre les équipes de sept institutions britanniques de premier plan, dont l'Université de Nottingham, l'Université de Newcastle et le King's College de Londres. Le projet a également été soutenu à la fois par la subvention du réseau UKRI sur les simulateurs quantiques pour la physique fondamentale et par la bourse Leverhulme Research Leaders détenue par le professeur Silke Weinfurtner.
Le point culminant de cette recherche sera célébré et exploré de manière créative dans une exposition ambitieuse intitulée Cosmic Titans à la Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, du 25 janvier au 27 avril 2025 (et en tournée dans des lieux au Royaume-Uni et à l'étranger). L'exposition comprendra des sculptures, des installations et des œuvres d'art immersives récemment commandées par des artistes de premier plan, dont Conrad Shawcross RA, qui résultent d'une série de collaborations innovantes entre artistes et scientifiques facilitées par l'ARTlab Nottingham.
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