Phénomène physique exotique, impliquant des ondes optiques, champs magnétiques synthétiques, et l'inversion du temps, a été observé directement pour la première fois, après des décennies de tentatives. La nouvelle découverte pourrait conduire à la réalisation de ce que l'on appelle les phases topologiques, et finalement à des avancées vers des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, disent les chercheurs.

La nouvelle découverte concerne l'effet Aharonov-Bohm non abélien et est rapportée aujourd'hui dans le journal Science par Yi Yang, étudiant diplômé du MIT, Chao Peng, chercheur invité au MIT (professeur à l'Université de Pékin), Di Zhu, étudiant diplômé du MIT, Professeur Hrvoje Buljan à l'Université de Zagreb en Croatie, Francis Wright Davis Professeur de physique John Joannopoulos au MIT, Professeur Bo Zhen à l'Université de Pennsylvanie, et professeur de physique au MIT Marin Soljacic.

Le constat concerne les champs de jauge, qui décrivent les transformations que subissent les particules. Les champs de jauge se divisent en deux classes, connu comme abélien et non-abélien. L'effet Aharonov-Bohm, du nom des théoriciens qui l'ont prédit en 1959, a confirmé que les champs de jauge - au-delà d'être une aide mathématique pure - ont des conséquences physiques.

Mais les observations ne fonctionnaient que dans les systèmes abéliens, ou ceux dans lesquels les champs de jauge sont commutatifs, c'est-à-dire ils se déroulent de la même manière en avant et en arrière dans le temps. En 1975, Tai-Tsun Wu et Chen-Ning Yang ont généralisé l'effet au régime non abélien en tant qu'expérience de pensée. Néanmoins, il restait difficile de savoir s'il serait même possible d'observer l'effet dans un système non abélien. Les physiciens manquaient de moyens de créer l'effet en laboratoire, et manquait également de moyens de détecter l'effet même s'il pouvait être produit. Maintenant, ces deux énigmes ont été résolues, et les observations effectuées avec succès.

L'effet a à voir avec l'un des aspects étranges et contre-intuitifs de la physique moderne, le fait que pratiquement tous les phénomènes physiques fondamentaux sont invariants dans le temps. Cela signifie que les détails de la façon dont les particules et les forces interagissent peuvent avancer ou reculer dans le temps, et un film sur le déroulement des événements peut être exécuté dans les deux sens, donc il n'y a aucun moyen de dire quelle est la vraie version. Mais quelques phénomènes exotiques violent cette symétrie temporelle.

Créer la version abélienne des effets Aharonov-Bohm nécessite de briser la symétrie de retournement temporel, une tâche difficile en soi, dit Soljacic. Mais pour obtenir la version non abélienne de l'effet, il faut briser ce retournement temporel plusieurs fois, et de différentes manières, ce qui en fait un défi encore plus grand.

Pour produire l'effet, les chercheurs utilisent la polarisation des photons. Puis, ils ont produit deux types différents de rupture par inversion du temps. Ils ont utilisé des fibres optiques pour produire deux types de champs de jauge qui ont affecté les phases géométriques des ondes optiques, d'abord en les envoyant à travers un cristal polarisé par de puissants champs magnétiques, et deuxièmement en les modulant avec des signaux électriques variant dans le temps, les deux cassent la symétrie d'inversion du temps. Ils ont ensuite pu produire des motifs d'interférence qui ont révélé les différences dans la façon dont la lumière était affectée lorsqu'elle était envoyée à travers le système de fibre optique dans des directions opposées, dans le sens horaire ou antihoraire. Sans rupture de l'invariance d'inversion du temps, les poutres auraient dû être identiques, mais plutôt, leurs modèles d'interférence ont révélé des ensembles spécifiques de différences comme prévu, démontrant les détails de l'effet insaisissable.

L'original, La version abélienne de l'effet Aharonov-Bohm " a été observée avec une série d'efforts expérimentaux, mais l'effet non abélien n'a pas été observé jusqu'à présent, " dit Yang. La découverte " nous permet de faire beaucoup de choses, " il dit, ouvrir la porte à une grande variété d'expériences potentielles, y compris les régimes physiques classiques et quantiques, pour explorer les variations de l'effet.

L'approche expérimentale imaginée par cette équipe « pourrait inspirer la réalisation de phases topologiques exotiques dans des simulations quantiques utilisant des photons, polaritons, gaz quantiques, et qubits supraconducteurs, " dit Soljacic. Pour la photonique elle-même, cela pourrait être utile dans une variété d'applications optoélectroniques, il dit. En outre, les champs de jauge non-abéliens que le groupe a pu synthétiser ont produit une phase de Berry non-abélienne, et "combiné avec des interactions, il peut potentiellement un jour servir de plate-forme pour le calcul quantique topologique tolérant aux pannes, " il dit.

À ce point, l'expérience présente avant tout un intérêt pour la recherche en physique fondamentale, dans le but de mieux comprendre certains fondements de la théorie physique moderne. Les nombreuses applications pratiques possibles "exigeront des percées supplémentaires à l'avenir, " dit Soljacic.

Pour une chose, pour le calcul quantique, l'expérience devrait être étendue d'un seul appareil à probablement tout un réseau d'entre eux. Et au lieu des faisceaux de lumière laser utilisés dans leur expérience, cela nécessiterait de travailler avec une source de photons individuels uniques. Mais même sous sa forme actuelle, le système pourrait être utilisé pour explorer des questions en physique topologique, qui est un domaine de recherche actuel très actif, dit Soljacic.