La production d'entropie, ce qui signifie augmenter le degré de désordre dans un système, est une tendance inexorable dans le monde macroscopique en raison de la deuxième loi de la thermodynamique. Cela rend les processus décrits par la physique classique irréversibles et, par extension, impose une direction à l'écoulement du temps. Cependant, la tendance ne s'applique pas nécessairement dans le monde microscopique, qui est régi par la mécanique quantique. Les lois de la physique quantique sont réversibles dans le temps, donc dans le monde microscopique, il n'y a pas de direction préférentielle au flux des phénomènes.

L'un des objectifs les plus importants de la recherche scientifique contemporaine est de savoir exactement où se produit la transition du monde quantique au monde classique et pourquoi elle se produit - en d'autres termes, découvrir ce qui fait que la production d'entropie prédomine. Cet objectif explique l'intérêt actuel pour l'étude des systèmes mésoscopiques, qui ne sont pas aussi petits que des atomes individuels mais présentent néanmoins un comportement quantique bien défini.

Une nouvelle étude expérimentale menée par des chercheurs du Brésil et d'ailleurs offre une contribution importante dans ce domaine. Un article à ce sujet a récemment été publié dans Lettres d'examen physique .

"Nous avons étudié deux systèmes :un condensat de Bose-Einstein à 100, 000 atomes confinés dans une cavité et une cavité optomécanique qui confine la lumière entre deux miroirs, " Gabriel Teixeira Landi, professeur à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP), Raconté.

Landi était l'un des scientifiques responsables du développement d'un modèle théorique corrélant la production d'entropie avec des quantités mesurables pour les deux expériences. La recherche est soutenue par la Fondation de recherche de São Paulo—FAPESP. Le condensat de Bose-Einstein a été étudié à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich), et le dispositif optomécanique de cavité a été étudié à l'Université de Vienne en Autriche.

Souvent appelé le « cinquième état de la matière » (les quatre autres étant des solides, liquides, gaz et plasma), Les condensats de Bose-Einstein sont obtenus lorsqu'un groupe d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu. Dans ces conditions, les particules n'ont plus l'énergie libre pour se déplacer les unes par rapport aux autres, et certains d'entre eux entrent dans les mêmes états quantiques, deviennent indiscernables les uns des autres. Les atomes obéissent alors à des statistiques dites de Bose-Einstein, qui s'appliquent généralement à des particules identiques. Dans un condensat de Bose-Einstein, l'ensemble du groupe d'atomes se comporte comme une seule particule.

Une cavité optomécanique est essentiellement un piège à lumière. Dans ce cas particulier, l'un des miroirs était constitué d'une membrane nanométrique capable de vibrer mécaniquement. Ainsi, l'expérience impliquait des interactions entre la lumière et les vibrations mécaniques. Dans les deux systèmes, il y avait deux réservoirs, l'un chaud et l'autre froid, pour que la chaleur puisse passer de l'un à l'autre.

"Les deux situations ont affiché des signatures de quelque chose d'irréversible et ont donc démontré une augmentation de l'entropie. De plus, ils présentaient une irréversibilité en raison d'effets quantiques, " a déclaré Landi. " Les expériences ont permis de distinguer clairement les effets classiques des fluctuations quantiques. "

La principale difficulté de cette ligne de recherche est que la production d'entropie ne peut pas être mesurée directement. Dans les expériences en question, donc, les scientifiques ont dû construire une relation théorique entre la production d'entropie et d'autres phénomènes qui signalent l'irréversibilité et sont directement mesurables. Dans les deux cas, ils ont choisi de mesurer les photons s'échappant des cavités, avoir délibérément utilisé des miroirs semi-transparents pour laisser échapper un peu de lumière.

Ils ont mesuré le nombre moyen de photons à l'intérieur des cavités et les variations mécaniques dans le cas du miroir vibrant.

"Les fluctuations quantiques ont contribué à une augmentation de l'irréversibilité dans les deux expériences, " Landi a dit. "C'était une découverte contre-intuitive. Ce n'est pas nécessairement quelque chose qui peut être généralisé. C'est arrivé dans ces deux cas, mais il peut ne pas être valable dans d'autres. Je vois ces deux expériences comme un premier effort pour repenser l'entropie sur ce genre de plateforme. Ils ouvrent la porte à d'autres expérimentations avec un plus petit nombre d'atomes de rubidium ou des cavités optomécaniques encore plus petites, par exemple."

Perte d'information et désordre

Dans une étude théorique récente, Landi a montré comment les fluctuations classiques (vibrations d'atomes et de molécules, produisant de l'énergie thermique) et des fluctuations quantiques pourraient se produire simultanément, sans nécessairement contribuer aux mêmes résultats. Cette étude était un précurseur des deux nouvelles expériences.

"Le condensat et la cavité de confinement de la lumière étaient des phénomènes mésoscopiques. Cependant, contrairement à d'autres phénomènes mésoscopiques, ils avaient des propriétés quantiques parfaitement conservées grâce à un blindage vis-à-vis de l'environnement. Ils, donc, a fourni des situations contrôlées dans lesquelles la compétition de production d'entropie entre les phénomènes classiques et quantiques a pu être très clairement observée, " a déclaré Landi.

"L'entropie peut être interprétée de diverses manières. Si nous pensons en termes d'information, une augmentation de l'entropie signifie une perte d'information. Du point de vue de la thermodynamique, l'entropie mesure le degré de désordre. Plus l'entropie est grande, plus le désordre dans le système est grand. En combinant ces deux vues, nous pouvons obtenir une compréhension plus complète du phénomène."

Le condensat de Bose-Einstein et la cavité optomécanique sont tous deux des exemples de ce qu'on appelle les « plates-formes de simulation quantique ». Ces plateformes permettent aux scientifiques de contourner un obstacle majeur à l'avancement des connaissances car il existe dans la nature des systèmes importants pour lesquels des modèles descriptifs existent mais pour lesquels des prédictions ne peuvent être faites en raison de difficultés de calcul. L'exemple le plus célèbre est la supraconductivité à haute température. Personne ne comprend comment certains matériaux peuvent se comporter comme des supraconducteurs au point d'ébullition de l'azote liquide (environ -196°C).

Les nouvelles plates-formes fournissent des dispositifs quantiques capables de simuler ces systèmes. Cependant, ils le font de manière contrôlée, éliminer tous les facteurs de complication, et se concentrer uniquement sur les phénomènes d'intérêt les plus simples. "Cette idée de simulation quantique s'est considérablement répandue ces dernières années. Les simulations vont des molécules importantes en médecine aux structures clés en cosmologie, " a déclaré Landi.