Des physiciens de l'ETH Zurich ont observé une surprenante torsion dans un système quantique causée par l'interaction entre la dissipation d'énergie et la dynamique quantique cohérente. Pour l'expliquer, ils ont trouvé une analogie concrète avec la mécanique.

"Aucun scientifique ne pense en formules, " Albert Einstein aurait dit un jour à son collègue Leopold Infeld. En fait, surtout pour les physiciens, qui traitent de choses aussi abstraites que la physique quantique, il est souvent extrêmement utile de travailler avec des images concrètes plutôt que des symboles mathématiques. Une équipe de chercheurs dirigée par Tilman Esslinger, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, l'ont expérimenté lorsqu'ils ont récemment découvert un nouvel effet dans leur système de mécanique quantique. Bien qu'ils étudiaient de minuscules atomes et particules légères dans leur expérience, ils ont pu mieux comprendre leurs observations grâce à une image accrocheuse :un arbre tournant à l'intérieur d'un roulement. Leurs résultats ont récemment été publiés dans la revue Science .

Un système quantique complexe

"Nous n'avions pas vraiment recherché cet effet du tout, " dit Esslinger. " Ce n'est qu'avec le recul que nous avons compris ce que signifient nos données. " Lui et ses collègues avaient abordé un sujet très complexe :un système quantique dans lequel les particules individuelles interagissent fortement les unes avec les autres et qui est simultanément entraînée par le "Dissipatif" signifie que les états quantiques des particules n'évoluent pas seulement de manière cohérente dans le temps, c'est-à-dire de telle sorte que leurs états de superposition restent intacts. Plutôt, une connexion contrôlée au monde extérieur fait disparaître peu à peu les états de superposition. Si la dissipation est très forte, ils disparaissent très vite, et en conséquence les particules se comportent alors presque comme en physique classique, que nous connaissons par expérience quotidienne. Sans aucune dissipation, d'autre part, la façon dont le système de particules évolue dans le temps est dictée uniquement par la mécanique quantique - un cas idéal utilisé par les physiciens pour construire des ordinateurs quantiques, par exemple.

Motifs atomiques

"Ces deux extrêmes peuvent être calculés et compris assez bien, " explique Tobias Donner, qui travaille comme scientifique principal dans le laboratoire d'Esslinger. "Par contre, il est beaucoup plus difficile de traiter avec des systèmes intermédiaires, où l'évolution cohérente et la dissipation sont tout aussi importantes. » Pour construire un tel système quantique en laboratoire, les physiciens ont refroidi les atomes à des températures proches du zéro absolu d'environ -273 degrés Celsius et les ont exposés à un faisceau laser focalisé qui piège et entraîne les atomes à l'intérieur d'une sorte de réseau fait de lumière. Chaque atome a également un "spin" qui peut pointer vers le haut ou vers le bas (un peu comme une aiguille de boussole qui pointe vers le nord ou le sud). En plus de ça, les atomes froids sont entourés à l'intérieur d'une cavité par deux miroirs qui réfléchissent la lumière diffusée par les atomes dans les deux sens.

L'interaction entre les atomes, le faisceau laser et la lumière dans la cavité amènent maintenant les atomes à se disposer spontanément en damier. Cela peut se produire de deux manières différentes. Dans l'un d'eux, il n'y a des atomes que sur les carrés "blancs", comme c'était, alors que les cases noires restent vides (voir figure). Dans l'autre cas, il existe également deux types de carrés, rouge et vert, mais maintenant les carrés rouges ne sont occupés que par des atomes dont les spins pointent vers le haut, alors que sur les carrés verts il n'y a que des atomes dont les spins pointent vers le bas.

Tournage surprenant

Laquelle des deux alternatives les atomes préfèrent dépend de la direction d'oscillation du faisceau laser qui les irradie, strictement selon les règles de la mécanique quantique - au moins, C'est, si les atomes ne sont exposés à aucune dissipation. Lorsque les physiciens ont réalisé l'expérience dans un régime où l'influence de la dissipation (causée par une perte de photons de la cavité) était suffisamment importante, quelque chose d'inhabituel s'est produit. "Nos données ne nous ont plus montré l'un des deux modèles, mais plutôt il semblait que les atomes tournaient à travers les motifs encore et encore, avec un sens de rotation particulier, " Esslinger décrit les résultats inattendus. " C'était une découverte passionnante, mais nous n'avions absolument aucune idée de pourquoi cela se produisait. "

Une force inhabituelle

En simplifiant les équations de la mécanique quantique décrivant leur expérience, les physiciens ont finalement pu découvrir une analogie avec un système mécanique. En réalité, les formules avaient une ressemblance frappante avec celles décrivant un arbre tournant à l'intérieur d'un roulement. Entre l'arbre et le roulement, il y a un lubrifiant visqueux qui est censé assurer une rotation uniforme. Cependant, si l'arbre s'éloigne légèrement du centre du roulement, une sorte de force de friction plutôt inhabituelle se produit qui dépend de la position de l'arbre. La force se produit parce que dans une direction la distance entre l'arbre rotatif et le palier fixe est réduite, et donc différentes forces de frottement agissent sur l'arbre et le roulement. La force résultante en fonction de la position est perpendiculaire à la direction dans laquelle l'arbre s'est déplacé. En conséquence, le centre de l'arbre commence à tourner en spirale autour du centre du roulement.

Maintenant que les physiciens sont capables de décrire l'effet quantique inattendu avec une image concrète, ils réfléchissent déjà à la prochaine étape :l'exploiter pour piloter et contrôler délibérément des systèmes quantiques. "Normalement, la dissipation altère ou affaiblit les effets quantiques existants - mais nous avons ici un effet qui doit en réalité son existence à la dissipation, " dit Esslinger. Si des effets similaires pourraient éventuellement être plus répandus dans les systèmes quantiques, et comment ils pourraient être utilisés dans les technologies quantiques en cours de développement, sont donc des questions qui préoccupent désormais les chercheurs.