Avec ses sphères métalliques suspendues qui claquent d'avant en arrière, Le berceau de Newton est plus qu'un jouet de bureau populaire. Il a enseigné à une génération d'étudiants la conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. C'est aussi l'inspiration pour une expérience Benjamin Lev, professeur agrégé de physique et de physique appliquée à l'Université de Stanford, a créé pour étudier les systèmes quantiques.

Lev et son groupe ont construit leur propre version quantique du berceau de Newton afin de répondre aux questions sur la façon dont le mouvement chaotique des particules quantiques conduit finalement à l'équilibre thermique dans un processus appelé thermalisation. Répondre à la façon dont cela se produit dans les systèmes quantiques pourrait aider à développer des ordinateurs quantiques, capteurs et appareils, que Lev qualifie de "révolution de l'ingénierie quantique".

« Si nous voulons pouvoir créer des appareils robustes et utiles, nous devons comprendre comment les systèmes quantiques se comportent hors d'équilibre - lorsqu'ils sont bottés, comme le berceau de Newton - à un niveau aussi fondamental que nous comprenons que pour les systèmes classiques, " dit Lev.

Avec le berceau, les chercheurs ont observé pour la première fois comment, après avoir induit de petites quantités de mouvement chaotique, un système quantique atteint l'équilibre thermique. Ils ont publié leurs conclusions le 2 mai dans Examen physique X .

Les résultats de ces expériences, qui ne correspondait pas aux prévisions précédentes, ont conduit à une théorie du fonctionnement de ce processus dans les systèmes quantiques.

Extrêmement froid, fortement magnétique

Le tourbillon turbulent du lait ajouté au café est un exemple familier de chaos dans le monde non quantique. Heures supplémentaires, le mélange de café devient homogène et, donc, atteint l'équilibre. Ce que le laboratoire Lev voulait savoir, c'est comment cette évolution se produit dans les systèmes quantiques après qu'ils aient induit juste une touche de chaos. Par des expériences avec leur berceau, les chercheurs ont été les premiers à observer ce processus tel qu'il se produisait.

Le berceau de Newton quantique du laboratoire Lev est différent de tout ce que vous avez vu dans la cabine de votre collègue. Les chercheurs font passer des faisceaux laser à travers une chambre hermétique pour refroidir un gaz d'atomes jusqu'au zéro presque absolu - l'un des gaz connus les plus froids de l'univers - puis ils chargent ces atomes dans un réseau de tubes laser qui servent de structure pour le Berceau de Newton. Chacun des 700 berceaux parallèles contient environ 50 atomes d'affilée. Puis, un autre laser donne un coup de pied aux atomes, démarrer le mouvement du berceau.

Contrairement à un précédent berceau quantique de Newton développé par David Weiss à Penn State, où des atomes faiblement magnétiques ont pris la place des sphères métalliques du berceau, le berceau du laboratoire Lev comprend des atomes fortement magnétiques.

Ce travail s'appuie sur la réalisation précédente du laboratoire de fabriquer le premier gaz quantique de l'élément hautement magnétique dysprosium - lié avec le terbium comme le plus magnétique de tous les éléments. Le président Obama a décerné à Lev un Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers pour cette étape importante en 2011. Ce sont des atomes de dysprosium que les chercheurs ont chargés dans la chambre hermétique.

Les chercheurs peuvent régler la façon dont ces atomes affectent leurs voisins. Ils peuvent faire agir le berceau comme si les atomes n'étaient pas magnétiques, de sorte qu'il produira le mouvement périodique typique du berceau de Newton. Ou ils peuvent produire un mouvement chaotique en augmentant le magnétisme - comme un berceau de Newton avec des aimants attachés aux sphères.

Jusqu'à maintenant, les physiciens n'ont pas eu de théorie sur la façon dont la thermalisation se produit dans les systèmes quantiques subtilement chaotiques. Des recherches antérieures avec des simulations informatiques ont abouti à des conclusions variables. Maintenant, à travers leurs expériences, les chercheurs ont directement montré que l'oscillation des berceaux a atteint l'équilibre dans une séquence de deux étapes exponentielles, ce qui était un résultat inattendu.

Ils ont également confirmé leurs résultats expérimentaux dans une simulation informatique approfondie. Sur la base de ces expériences et simulations, le groupe a développé une théorie qui explique leurs découvertes.

"Cela signifie que nous pouvons avoir un très général, théorie simple sur la façon dont les systèmes quantiques complexes comme celui-ci se thermalisent, " dit Lev. " C'est beau parce que ça te permet de traduire ça dans d'autres systèmes. "

Atome par atome

Déjà, les chercheurs ont plusieurs expériences prévues pour le berceau magnétique quantique de Newton et ils prévoient de nombreuses autres opportunités pour tirer parti de ces travaux à mesure que la révolution quantique évolue.

"Des technologies laser très sophistiquées permettent de manipuler des systèmes atome par atome, " dit Yijun Tang, un doctorant récemment diplômé du laboratoire Lev et auteur principal de l'article. "Donc, peut-être que ce que nous pouvons faire ira au-delà des questions de science fondamentale. Peut-être, à un moment donné, nous pouvons également transformer ces technologies en quelque chose de plus pratique."

Dans les expériences à venir, les chercheurs peuvent ajouter du désordre aux tubes du berceau, sous forme de lumière laser mouchetée, pour voir s'ils peuvent créer une sorte de verre quantique qui échappe à la thermalisation. Les expériences qui ont contribué à cet article ont toutes été réalisées avec une seule version des isotopes du dysprosium, appelés bosons, le groupe envisage donc également de répéter son travail avec la version alternative, fermions. Ils ne savent pas si le passage aux fermions fera une différence sur la thermalisation, Lev a dit, et ils seraient heureux d'avoir une autre surprise.