Une pomme mûre tombant d'un arbre a inspiré Sir Isaac Newton pour formuler une théorie qui décrit le mouvement des objets soumis à une force. Les équations du mouvement de Newton nous disent qu'un corps en mouvement continue de se déplacer en ligne droite à moins qu'une force perturbatrice ne modifie sa trajectoire. L'impact des lois de Newton est omniprésent dans notre expérience quotidienne, allant d'un parachutiste tombant dans le champ gravitationnel de la terre, sur l'inertie que l'on ressent dans un avion en accélération, à la terre en orbite autour du soleil.

Dans le monde quantique, cependant, notre intuition pour le mouvement des objets est fortement remise en cause et peut parfois même complètement échouer. Que diriez-vous d'imaginer une bille tombant dans l'eau oscillant de haut en bas plutôt que de se déplacer tout droit vers le bas ? Cela semble étrange. Encore, c'est ce que le physicien expérimental d'Innsbruck en collaboration avec des théoriciens de Munich, Paris et Cambridge ont découvert une particule quantique. Au cœur de ce comportement surprenant se trouve ce que les physiciens appellent « l'interférence quantique », le fait que la mécanique quantique permet aux particules de se comporter comme des ondes, qui peuvent s'additionner ou s'annuler.

Approche de la température du zéro absolu

Pour observer la particule quantique oscillant d'avant en arrière, l'équipe a dû refroidir un gaz d'atomes de césium juste au-dessus de la température du zéro absolu et le confiner à un arrangement de tubes très minces réalisés par des faisceaux laser de haute puissance. Au moyen d'une astuce spéciale, les atomes ont été amenés à interagir fortement les uns avec les autres. Dans de telles conditions extrêmes, les atomes forment un fluide quantique dont le mouvement est limité à la direction des tubes. Les physiciens ont alors accéléré un atome d'impureté, qui est un atome dans un état de spin différent, à travers le gaz. Alors que cette particule quantique se déplaçait, il a été observé qu'il dispersait les particules de gaz et se réfléchissait vers l'arrière. Cela a conduit à un mouvement oscillatoire, contrairement à ce que ferait une bille en tombant dans l'eau. L'expérience démontre que les lois de Newton ne peuvent pas être utilisées dans le domaine quantique.

Les fluides quantiques agissent parfois comme des cristaux

Le fait qu'une onde quantique puisse se refléter dans certaines directions est connu depuis les premiers jours du développement de la théorie de la mécanique quantique. Par exemple, les électrons se réfléchissent au motif régulier des cristaux solides, comme un morceau de métal. Cet effet est appelé « diffusion de Bragg ». Cependant, la surprise dans l'expérience réalisée à Innsbruck était qu'aucun cristal de ce type n'était présent pour que l'impureté se réfléchisse. Au lieu, c'était le gaz des atomes lui-même qui fournissait une sorte d'ordre caché dans son agencement, une propriété que les physiciens appellent « corrélations ». Les travaux d'Innsbruck ont ​​démontré comment ces corrélations, combinées à la nature ondulatoire de la matière, déterminent le mouvement des particules dans le monde quantique et conduisent à des phénomènes nouveaux et passionnants qui contrecarrent les expériences de notre vie quotidienne.

Comprendre la bizarrerie de la mécanique quantique peut également être pertinent dans un cadre plus large, et aider à comprendre et optimiser les processus fondamentaux dans les composants électroniques, ou encore des processus de transport dans des systèmes biologiques complexes.

L'étude est publiée dans la revue Science .