Les fluctuations critiques dévoilées atome par atome : un article du PhLAM publié dans Nature

Les transitions de phase continues, comme l’apparition du magnétisme dans un solide ou de la superfluidité dans un gaz quantique, sont traditionnellement caractérisées par l’évolution moyenne de leur paramètre d’ordre et par des exposants critiques. Pourtant, cette description ne rend compte que d’une partie du phénomène : à proximité de la transition, les fluctuations deviennent très importantes et leur distribution statistique contient elle aussi une information universelle.

Dans cette étude, les chercheurs ont mesuré la distribution complète du paramètre d’ordre lors de la transition entre un gaz normal et un gaz superfluide. L’expérience repose sur environ 4 000 atomes ultrafroids d’hélium métastable placés dans un réseau optique tridimensionnel. Grâce à une détection résolue à l’atome unique dans l’espace des impulsions, il est possible de mesurer, à chaque réalisation de l’expérience, le nombre d’atomes appartenant au condensat de Bose-Einstein et d’en reconstruire les fluctuations statistiques.

Loin de la transition, ces fluctuations suivent approximativement une distribution gaussienne, autrement dit la célèbre courbe « en cloche ». Au voisinage du point critique, elles deviennent au contraire fortement non gaussiennes. À partir des distributions mesurées, les chercheurs ont reconstruit un potentiel thermodynamique effectif, dans l’esprit de la théorie de Landau. Son évolution permet de visualiser directement le passage continu de la phase superfluide ordonnée à la phase normale désordonnée. La nature non gaussienne des fluctuations a également été caractérisée à l’aide de cumulants d’ordre élevé. Ces quantités présentent des changements de signe abrupts à proximité de la transition. 

Les cumulants d’ordre élevé se révèlent par ailleurs sensibles à de subtils effets quantiques. Leur comportement expérimental n’est pas reproduit par un modèle classique, mais il est retrouvé dans un modèle quantique à basse température. Ces résultats montrent que l’étude de la distribution complète du paramètre d’ordre offre une approche particulièrement fine pour explorer les phénomènes critiques, notamment dans les systèmes quantiques de taille finie.

L'article complet est à retrouver ici.

Référence :
Maxime Allemand, Géraud Dupuy, Paul Paquiez, Nicolas Dupuis, Adam Rançon, Tommaso Roscilde, Thomas Chalopin et David Clément, Non-Gaussian statistics of the order parameter across a phase transition, Nature 655, 1148–1153 (2026).