À Paris, les atomes s’attirent, les prédictions résistent

Au Laboratoire Kastler Brossel, dans le Ve arrondissement de Paris, des physiciens ont observé une propriété inattendue d’un gaz de lithium-6 refroidi à une température proche du zéro absolu. Même lorsque les particules s’attirent fortement, certaines statistiques de leurs positions suivent presque parfaitement les prédictions établies pour un gaz sans interaction.

Le résultat, publié le 3 octobre dans Nature Communications et présenté le 6 novembre par le laboratoire, intrigue pour une raison simple : en physique quantique, les interactions entre particules rendent les calculs beaucoup plus difficiles. Pourtant, ici, une description mathématique établie pour un système plus simple continue de fonctionner.

Cette théorie est celle des matrices aléatoires, développée à partir des années 1950 pour comprendre les niveaux d’énergie des noyaux atomiques. Elle permet notamment de prédire comment se répartissent les particules d’un gaz de fermions, une famille à laquelle appartiennent les électrons et les atomes de lithium-6.

Ces particules obéissent au principe d’exclusion de Pauli : deux fermions identiques ne peuvent pas occuper exactement le même état quantique. Même sans force répulsive entre eux, ils ne se répartissent donc pas comme des billes jetées au hasard. Les mathématiques permettent de calculer les probabilités de leurs différents arrangements.

La difficulté était de mesurer ces probabilités sur de véritables atomes, y compris lorsqu’ils interagissent.

Des atomes photographiés un par un

L’équipe parisienne disposait d’un outil particulièrement adapté. En 2025, elle avait mis au point une technique permettant de photographier individuellement les atomes d’un gaz quantique.

Pour cette nouvelle expérience, les chercheurs préparent un gaz presque bidimensionnel comportant deux populations d’atomes, dans deux états de spin différents, qui peuvent s’attirer. Juste avant la photographie, ils retirent l’une des populations, figent la position des atomes restants et les détectent avec une fiabilité supérieure à 99,5 %.

Ils dessinent ensuite des cercles virtuels sur leurs images et calculent les probabilités d’y trouver zéro, un, deux ou plusieurs atomes. Ils mesurent également la distance entre chaque particule et sa plus proche voisine.

À partir de 700 à 1 400 images selon les préparations, les distributions mesurées correspondent aux prédictions théoriques sans nécessiter de paramètre d’ajustement libre. L’accord reste excellent même pour des événements rares, comme l’absence totale d’atomes dans un cercle, dont la probabilité mesurée descend jusqu’à une chance sur 10 000.

Une régularité qui résiste à l’attraction

Une autre étude de la même équipe, publiée en avril 2026, avait montré que certaines corrélations entre deux ou trois fermions d’une même population restaient étonnamment proches de celles d’un gaz sans interaction.

Dans le travail publié en octobre, les chercheurs examinent les distributions de comptage et les statistiques des distances entre voisins.

Cela ne signifie pas que l’attraction entre particules soit sans effet. Elle modifie réellement le gaz, notamment en favorisant la formation de paires entre atomes des deux populations. Mais lorsqu’on examine séparément l’organisation spatiale d’une seule population, une partie de la structure statistique prévue pour des fermions indépendants persiste.

Cette régularité leur donne un point de comparaison. Les systèmes quantiques à nombreuses particules sont souvent impossibles à décrire exactement dès que leurs interactions deviennent importantes. Identifier les propriétés qui conservent une organisation prévisible permet de mieux cerner celles qui exigent des calculs plus complexes.

Les mesures révèlent néanmoins de petits écarts au régime d’attraction le plus intense étudié. Quant à l’origine exacte de cette robustesse, elle reste à expliquer théoriquement.

Le résultat repose sur une collaboration entre le Laboratoire Kastler Brossel, des théoriciens de l’ENS et de Sorbonne Université, ainsi que des équipes d’Orsay et de Toulouse. Rue Lhomond, le microscope quantique permet désormais de chercher jusqu’où tient cette prédiction, et où elle commence à échouer.