Open questions in the quantum many-body problem
[Questions ouvertes dans le problème quantique à N corps]
Numéro thématique coordonné par : Yvan Castin ; Carlos Sá de Melo
Yvan Castin est directeur de recherche au CNRS. Théoricien, il mène ses travaux au Laboratoire Kastler Brossel de l’École normale supérieure à Paris, depuis sa thèse de doctorat sur le refroidissement d’atomes par laser effectuée sous la direction de Jean Dalibard et Claude Cohen-Tannoudji de 1988 à 1992. Il contribue, avec Klaus Mølmer et Jean Dalibard, au développement de la méthode des fonctions d’onde Monte-Carlo. Depuis 1995, il travaille sur les condensats de Bose-Einstein atomiques gazeux dans l’équipe «atomes froids» créée par Claude Cohen-Tannoudji, avant d’ajouter les superfluides de fermions en interaction forte comme deuxième corde à son arc en 2004, en suivant Christophe Salomon dans l’équipe « gaz de fermions froids », dont il assure la direction de la partie théorique. On lui doit plusieurs résultats originaux sur l’effet Efimov à quatre corps et le développement en amas pour le gaz unitaire de fermions, les limites de la compression de spin et le temps de cohérence d’un condensat dans un gaz de bosons isolé, l’amortissement du son faiblement collisionnel dans les superfluides, en collaboration avec Alice Sinatra, Ludovic Pricoupenko, Felix Werner, Shimpei Endo et d’autres. Il a reçu (avec Laurent Lafforgue) le prix Jacques Herbrand de l’Académie des sciences en 2001, et en 2012 le prix d’équipe de la Fondation Louis D., décerné au responsable d’équipe Christophe Salomon.
Carlos A. R. Sá de Melo a obtenu un doctorat en physique théorique à l’Université de Stanford en 1991, avec une spécialisation en physique quantique à N corps, sous la direction du professeur Sebastian Doniach (prix Bardeen 2018), et a été chercheur postdoctoral au Science and Technology Center for Superconductivity dans l’Illinois, avec pour mentor feu le Dr Alexei Abrikosov (prix Nobel 2003). Il a ensuite rejoint l’Institut de technologie de Géorgie, où il est aujourd’hui professeur en sciences physiques. Le professeur Sá de Melo est surtout connu pour ses contributions théoriques à l’étude du raccordement entre la superfluidité de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) et la condensation de Bose-Einstein (CBE) dans les systèmes à une et deux bandes dans les années 1990 et 2000, un phénomène exploré expérimentalement depuis le milieu des années 2000. Pour ses travaux sur les atomes froids fermioniques et les superfluides de fermions, il a obtenu un poste de chercheur invité de deux ans au Joint Quantum Institute (UMD-NIST) de 2006 à 2008, a été élu membre de l’American Physical Society en 2012, a reçu une bourse Simons en 2017 pour une visite prolongée à l’Institut de physique théorique Galileo Galilei (Florence, Italie), a reçu le prix Fibonacci en 2018 lors de la conférence Quantum Complex Matter (Frascati, Italie), a été élu membre de l’American Association for the Advancement of Science en 2021 et a bénéficié d’une bourse Mercator de la Fondation allemande pour la recherche en 2024. Ses recherches sur les raccordements et transitions de phase quantiques entre régime BCS et régime CBE dans les superfluides ont influencé les travaux expérimentaux et théoriques non seulement en physique atomique, mais aussi en physique nucléaire et en physique de la matière condensée.
Yvan Castin; Carlos Sá de Melo (éd.). Open questions in the quantum many-body problem. Comptes Rendus. Physique, Volume 25 (2024) no. S6, doi : 10.5802/crphys.sp.3. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/item/CRPHYS_2024__25_S6/
En physique, le problème quantique à N corps est une thématique de recherche actuelle très fédératrice, car il concerne un grand nombre de domaines, de la physique mathématique à la matière condensée en passant par la physique atomique et l’optique quantique, et met en jeu de nombreux systèmes, des supraconducteurs aux gaz quantiques en passant par les systèmes de spins, la matière topologique, les systèmes désordonnés et les systèmes photoniques dissipatifs, en dimension trois ou en dimensionalité réduite, avec des interactions à courte ou à longue portée, etc. Il soulève des questions particulièrement ardues, qui obligent à croiser plusieurs méthodes d’étude, mathématiques, analytiques, macroscopiques ou effectives de basse énergie, diagrammatiques, numériques, expérimentales, de simulation quantique, etc.
Il y a certes de nombreux congrès dans ce domaine, mais ils se limitent généralement à des présentations brèves de résultats déjà obtenus et se spécialisent dans l’un des aspects mentionnés. À notre connaissance, très peu d’entre eux cherchent à faire un bilan global des questions ouvertes et des grandes directions à explorer, dans l’esprit des fameux congrès Solvay d’autrefois, en réunissant les chercheurs des différents domaines ayant suffisamment de vision et de maturité pour faire des exposés de prospective longs (90 minutes) au tableau noir et à la craie (pas de projection), avec beaucoup de temps de discussion. C’est ce que nous avons fait en juillet 2024, à travers une quinzaine d’exposés sur cinq jours de colloque, ouverts à tous, dans le grand amphithéâtre Hermite de l’Institut Henri Poincaré (IHP) à Paris. Les exposés ont été enregistrés et mis en ligne sur la chaîne Carmin de l’IHP (cliquer ici).
Pour que l’exercice prenne toute sa valeur, nous avons souhaité que le colloque laisse une trace écrite – verba volant –, d’où le présent dossier thématique publié en accès libre aux Comptes Rendus Physique, qui regroupe les différentes contributions sous forme d’« Interventions en colloque ». Nous espérons que ceci incitera la communauté des chercheurs, doctorants et post-doctorants à se concentrer sur les grandes questions et à construire des ponts entre les différentes disciplines de la physique quantique à N corps.
Nous remercions chaleureusement les orateurs qui ont accepté le surcroît de travail qu’exige la rédaction d’actes de colloque, ainsi que la direction de l’IHP, qui a mis gracieusement à notre disposition son infrastructure et son équipe technique, en nous exemptant des frais de location de l’amphithéâtre. Enfin, nous sommes reconnaissants à Stephan Fauve d’avoir accepté notre dossier thématique avec enthousiasme, et à Isabelle Vallet d’en avoir accompagné la mise en œuvre avec efficacité.
[Quelques problèmes mathématiques ouverts sur les particules quantiques chargées]
[Cohérence de phase entre bicouche et fermions composites]
[Physique mathématique des gaz de bosons dilués]
[Réflexions sur les fluides quantiques dipolaires]
[Transport quantique dans des gaz de fermions fortement corrélés]
[Liquides de spins classiques et quantiques]
[Simuler l’effet Hall quantique dans les gaz d’atomes ultrafroids : perspectives et défis]