On pourrait penser que la pince à épiler optique – un faisceau laser focalisé qui peut piéger de petites particules – est désormais dépassée. Après tout, la pince à épiler a été inventée par Arthur Ashkin en 1970. Et il a reçu le prix Nobel pour cela cette année, probablement après que ses principales implications aient été réalisées au cours du dernier demi-siècle.

Étonnamment, c'est loin d'être vrai. La pince à épiler optique révèle de nouvelles capacités tout en aidant les scientifiques à comprendre la mécanique quantique, la théorie qui explique la nature en termes de particules subatomiques.

Cette théorie a conduit à des conclusions étranges et contre-intuitives. L'un d'eux est que la mécanique quantique permet à un seul objet d'exister dans deux états de réalité différents en même temps. Par exemple, la physique quantique permet à un corps d'être à deux endroits différents dans l'espace simultanément - ou à la fois mort et vivant, comme dans la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger.

Le nom technique de ce phénomène est la superposition. Des superpositions ont été observées pour des objets minuscules comme des atomes isolés. Mais clairement, nous ne voyons jamais de superposition dans notre vie de tous les jours. Par exemple, nous ne voyons pas une tasse de café à deux endroits en même temps.

Pour expliquer ce constat, les physiciens théoriciens ont suggéré que pour les grands objets - même pour les nanoparticules contenant environ un milliard d'atomes - les superpositions s'effondrent rapidement à l'une ou l'autre des deux possibilités, en raison d'une panne de la mécanique quantique standard. Pour les objets plus gros, le taux d'effondrement est plus rapide. Pour le chat de Schrödinger, cet effondrement – ​​à « vivant » ou « mort » – serait pratiquement instantané, expliquant pourquoi on ne voit jamais la superposition d'un chat se trouvant dans deux états à la fois.

Jusque récemment, ces "théories de l'effondrement, " ce qui nécessiterait des modifications des manuels de mécanique quantique, n'a pas pu être testé, car il est difficile de préparer un grand objet en superposition. En effet, les objets plus gros interagissent davantage avec leur environnement que les atomes ou les particules subatomiques, ce qui entraîne des fuites de chaleur qui détruisent les états quantiques.

En tant que physiciens, nous nous intéressons aux théories de l'effondrement car nous aimerions mieux comprendre la physique quantique, et plus précisément parce qu'il existe des indications théoriques que l'effondrement pourrait être dû à des effets gravitationnels. Un lien entre la physique quantique et la gravité serait passionnant à trouver, puisque toute la physique repose sur ces deux théories, et leur description unifiée – la soi-disant théorie du tout – est l'un des grands objectifs de la science moderne.

Entrez dans la pince à épiler optique

Les pincettes optiques exploitent le fait que la lumière peut exercer une pression sur la matière. Bien que la pression de rayonnement d'un faisceau laser, même intense, soit assez faible, Ashkin a été la première personne à montrer qu'il était assez grand pour supporter une nanoparticule, contrer la gravité, en lévitant efficacement.

En 2010, un groupe de chercheurs s'est rendu compte qu'une telle nanoparticule tenue par une pince à épiler optique était bien isolée de son environnement, puisqu'il n'était en contact avec aucun support matériel. Suite à ces idées, plusieurs groupes ont suggéré des moyens de créer et d'observer des superpositions d'une nanoparticule à deux emplacements spatiaux distincts.

Un schéma intrigant proposé par les groupes de Tongcang Li et Lu Ming Duan en 2013 impliquait un cristal de nanodiamant dans une pince à épiler. La nanoparticule ne reste pas immobile dans la pince à épiler. Plutôt, il oscille comme un pendule entre deux emplacements, avec la force de rappel provenant de la pression de radiation due au laser. Plus loin, ce nanocristal de diamant contient un atome d'azote contaminant, qui peut être considéré comme un petit aimant, avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S).

La stratégie Li-Duan comportait trois étapes. D'abord, ils ont proposé de refroidir le mouvement de la nanoparticule à son état fondamental quantique. C'est l'état d'énergie le plus bas que ce type de particule puisse avoir. On pourrait s'attendre à ce que dans cet état la particule cesse de se déplacer et n'oscille pas du tout. Cependant, si cela arrivait, on saurait où se trouve la particule (au centre de la pince à épiler), ainsi à quelle vitesse il se déplaçait (pas du tout). Mais la connaissance parfaite simultanée de la position et de la vitesse n'est pas permise par le célèbre principe d'incertitude de Heisenberg de la physique quantique. Ainsi, même dans son état énergétique le plus bas, la particule se déplace un peu, juste assez pour satisfaire les lois de la mécanique quantique.

Seconde, le schéma de Li et Duan exigeait que l'atome d'azote magnétique soit préparé dans une superposition de son pôle nord pointant vers le haut comme vers le bas.

Finalement, un champ magnétique était nécessaire pour relier l'atome d'azote au mouvement du cristal de diamant en lévitation. Cela transférerait la superposition magnétique de l'atome à la superposition d'emplacement du nanocristal. Ce transfert est rendu possible par le fait que l'atome et la nanoparticule sont intriqués par le champ magnétique. Cela se produit de la même manière que la superposition de l'échantillon radioactif décomposé et non décomposé est convertie en la superposition du chat de Schrödinger dans les états mort et vivant.

Prouver la théorie de l'effondrement

Ce qui a donné du mordant à ce travail théorique, ce sont deux développements expérimentaux passionnants. Déjà en 2012 les groupes de Lukas Novotny et Romain Quidant montraient qu'il était possible de refroidir une nanoparticule en lévitation optique à un centième de degré au-dessus du zéro absolu – la température la plus basse théoriquement possible – en modulant l'intensité de la pince optique. L'effet était le même que celui de ralentir un enfant sur une balançoire en poussant au bon moment.

En 2016, les mêmes chercheurs ont pu refroidir jusqu'à un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu. À peu près à cette époque, nos groupes ont publié un article établissant que la température requise pour atteindre l'état fondamental quantique d'une nanoparticule en pince était d'environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Cette exigence est difficile, mais à la portée des expérimentations en cours.

Le deuxième développement passionnant a été la lévitation expérimentale d'un nanodiamant porteur de défauts d'azote en 2014 dans le groupe de Nick Vamivakas. A l'aide d'un champ magnétique, ils ont également pu réaliser le couplage physique de l'atome d'azote et le mouvement cristallin requis par la troisième étape du schéma Li-Duan.

La course est maintenant lancée pour atteindre l'état fondamental de sorte que – selon le plan Li-Duan – un objet à deux endroits puisse être observé s'effondrant en une seule entité. Si les superpositions sont détruites au rythme prédit par les théories de l'effondrement, la mécanique quantique telle que nous la connaissons devra être révisée.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.