La transition métal-isolantd’Anderson observée avecun gazatomique froid en régime chaotique
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Il est trèsdifficile d’observerexpérimentalementla
transition d’Anderson. Pour ce faire il faut pouvoircontrô-
lerle désordre de façon précise. Tout effetde décohérence
de laparticule à cause de son environnementextérieur
(dûparexemple àdescollisionsavecdesphononsdansle
casd’électronsdans uncristal) tendraàbriserladélicate
interférence quantiqueresponsable de lalocalisation. Le
scénario de latransition d’Anderson pouvant s’appliquer
àune grande variété de systèmesondulatoiresdésordon-
nés–ycomprisdesondes«classiques»,oùlesméca-
nismesde brisure de la cohérence de phasesont
contrôlables– desobservationsexpérimentalesde latran-
sition d’Anderson ontété effectuéesavecdesondes ultra-
sonoresouélectromagnétiquesen milieudésordonné
(voirl’article « La localisation forte d’Anderson desondes
classiques» dansce numéro). Mais une observation
directeavecdesondesde matièrerestaitessentiellement
inaccessible :les raresobservationsdansdes solides sont
ambiguëscarlesinteractionsélectron-électron ypertur-
bentnotablementlescaractéristiquesde lalocalisation.
Nous avonsmisàprofitnotre expertisesur l’étude du
chaosquantique pour réaliser unsystème atomique équi-
valentaumodèle d’Anderson tridimensionnel. Nous
avonsainsi pu,en faisantinteragirdesatomesfroidset
desfaisceaux laser,observerpour lapremière foislatran-
sition d’Anderson avecdesondesde matière eteffectuer
lapremière mesure expérimentale de l’ exposantcritiquede
cettetransition (défini ci-dessous).
Chaosquantique
etlocalisation dynamique
Lecomportementquantique d’unsys-
tème simple est décritparl’équation de
Schrödinger.Orcelle-ci est linéaire, ce qui
signifie qu’untel système ne peut paspré-
senterla«sensibilitéaux conditions
initiales» qui est un ingrédientde base du
chaos.Il est doncjustifié de se demanderce
qu’est le chaosquantique .La définition la
plus simple reposesur ladynamique
classique:unsystème est quantiquement
chaotiquesison équivalentclassique
(obtenudanslalimite oùla constante de
Plancktend vers 0) est chaotique. On
s’intéressealors aux propriétésdesniveaux
d’énergie oudesétats propresdu système
quantique,oubien encoreàsespropriétés
de transport,en essayantd’établir un lien
aveclespropriétésclassiqueschaotiques.
Dans saforme laplus simple,le rotateur
forcé est formé d’une particule tournant
librement sur une orbitecirculaire,à
laquelle l’on applique,de façon périodique,
desimpulsionsdans une direction donnée
(d’oùle nom anglais« kicked rotor»),que
nous appelleronsici « pulses» pour éviterla confusion
aveclagrandeur impulsion. La particule voitdoncune
force impulsionnelle de forme sinusoïdale. Si lespulses
sont suffisammentcourts pour qu’on puisse négligerle
mouvementde laparticule pendantle pulse,on peut les
assimileràdesfonctionsdelta.La dynamique de cesys-
tème est particulièrementfacile àétudiernumériquement,
carl’évolution serésume àdesévolutionslibresentrecou-
péespériodiquementpardes sauts de l’impulsion de
l’atome produits parl’application de laforce (voirfigure1 ).
Ils’avère que ladynamiqueclassique de cesystème est
chaotiquesi laforceappliquée est suffisammentintense.
Plus précisément,ladynamiqueclassique, bien que parfai-
tementdéterministe,ressemble beaucoupàune marche
auhasard dansl’espace desimpulsions:àchaque pulse,la
particule voit son impulsion modifiée d’une quantité
pseudo-aléatoire de moyenne nulle. Globalement,si on
effectueune moyenne sur un ensemble de conditionsini-
tiales,on observe, comme pour une marche auhasard,un
mouvementdiffusif,maisdansl’espace desimpulsions.
Cette dynamiqueaétéappelée diffusion chaotique. Ainsi,la
largeur de ladistribution gaussienne d’impulsion d’un
ensemble de particulesclassiques s’élargitavecle tempset
l’énergie cinétique moyenne augmente linéairementavec
le temps ; ,oùDest la constante de diffusion.
Cesystème se prête parfaitementàl’étude duchaos
quantique. Que devientladiffusion de l’impulsion –
propriétécaractéristique duchaosclassique–dansle cas
quantique?
Considérons un étatquantique initialtrèslocalisé
autour d’une impulsion moyenne nulle. Pendant un
certain temps,ladynamique quantique mime ladynami-
Figure 1 – Schémade l’expérience. L’onde stationnaire est allumée de façon périodique dansle
temps(flèche rouge) pendant une courte durée. A chaqueallumage l’amplitude de celle-civarie
selon une série quasi-périodiqueàdeux fréquencesincommensurablesentre ellesainsi qu’avecla
fréquence desallumages.Le nuage d’atomesfroidsinitialement symétrique (àgauche) reçoitdes
pulses selon ladirection de l’onde stationnaire etdevientainsi de plus en plus allongé (àdroite).
Pour étudierexpérimentalementle chaosquantique,il faut trouver unsystème quantique,réalisa-
ble expérimentalement,dontlalimiteclassiquesoitchaotique. Il existeuncertain nombre de sys-
tèmesprésentantcettecaractéristique,parexemple lesatomesde Rydbergsoumisàdeschamps
électriqueset/oumagnétiques statiquesouoscillants,ouencore des«billards»chaotiques réalisés
avecdescavitésoptiquesoumicro-ondes.Dansle domaine du transport etde lalocalisation,un
système s’est imposécomme paradigme duchaosquantique:le rotateur forcéatomique,décrit
dansl’encadré.