Imaginez un danseur en pointe, tournant sur son propre axe tout en dansant sur un carrousel rotatif. Elle pourrait se blesser lorsque les deux rotations s'additionnent et que le moment angulaire est transféré. Des phénomènes similaires sont-ils également présents dans les systèmes de mécanique quantique ?

Après des années de préparation, une équipe de la TU Wien a réussi à mener une expérience dans laquelle le spin d'un neutron traverse une région avec un champ magnétique tournant. Un type spécial de bobine a dû être développé pour produire ce champ magnétique tournant. Bien que le spin des neutrons ne porte aucune masse et ne puisse être décrit que de manière quantique, il présente une propriété inertielle. Ces résultats sont maintenant publiés dans Nature Partner Journal Quantum Information .

L'inertie de la rotation :les grandes roues continuent de tourner

"L'inertie est une caractéristique omniprésente, " Stephan Sponar de l'Institut de physique atomique et subatomique à TU Wien illustre. " Quand nous sommes assis dans un train qui se déplace à vitesse constante, nous ne pouvons pas faire la différence avec un train stationné à la gare. Uniquement lors du changement de référentiel, par exemple. en sautant du train, nous sommes ralentis. Nous ressentons des forces dues à l'inertie de notre masse."

Lorsque des rotations sont envisagées, les choses sont similaires :le moment cinétique d'un objet en rotation est conservé tant qu'aucun couple externe n'est appliqué. Mais lorsque l'on considère les particules quantiques, les choses se compliquent :« Les particules comme les neutrons ou les électrons présentent un type particulier de moment angulaire :le spin, " dit Armin Danner, auteur principal de l'article récemment publié.

Le spin est le moment angulaire orbital intrinsèque d'une particule élémentaire. Il y a des similitudes avec la rotation d'une planète tournant autour de son axe, mais à bien des égards cette comparaison ne tient pas :le spin est une propriété des particules ponctuelles. Avec un état d'esprit classique, ils ne peuvent tourner autour d'aucun axe. "Le spin peut être considéré comme le moment cinétique d'un objet qui est resserré en un point, " dit Armin Danner. Les propriétés d'un tel spin ne se retrouvent pas dans notre vie de tous les jours. Mais le formalisme de la mécanique quantique peut nous donner une idée intuitive de la façon dont les choses fonctionnent dans certains cas.

Couplage entre spin et champ magnétique

"C'était en 1988, des collègues ont déjà prédit comment un neutron devrait se comporter lorsqu'il est soudainement exposé à la rotation, " Professeur Yuji Hasegawa, chef du groupe d'interférométrie neutronique, explique. "Un couplage entre le spin des neutrons et un champ magnétique tournant a été prédit. Mais jusqu'à présent, personne n'a pu démontrer directement ce couplage sous sa forme de mécanique quantique. Cela nous a également pris quelques années de travail et plusieurs tentatives pour y parvenir. »

Semblable à un danseur qui tourne et traverse un carrousel rotatif, le neutron est exposé à un champ magnétique tournant. Ce champ manipule le spin, cependant, les orientations de spin avant et après le champ magnétique sont les mêmes. Après avoir traversé la région avec le champ magnétique, le moment cinétique du neutron est exactement le même qu'avant. La seule chose qui « soit arrivée » au neutron est qu'il a subi des effets d'inertie, détectables par la mécanique quantique.

Dans le montage expérimental, le faisceau de neutrons est divisé en deux faisceaux partiels séparés. L'un d'eux est exposé à un champ tournant tandis que l'autre n'est pas affecté. Les deux faisceaux partiels sont ensuite recombinés. Suivant les règles de la mécanique quantique, le neutron voyage le long des deux chemins simultanément. Dans le premier chemin, les effets de l'inertie modifient localement la longueur d'onde de l'onde particulaire. Cela détermine comment les ondes partielles s'amplifient et s'éteignent les unes les autres.

Le plus grand défi était la conception de la bobine magnétique qui produit le champ magnétique. Une petite fenêtre à l'intérieur de la bobine est nécessaire pour le passage du faisceau de neutrons. Cependant, les propriétés du champ doivent respecter les conditions strictes pour induire le champ souhaité. Une géométrie appropriée a été identifiée à l'aide de simulations informatiques. Le système a été développé et testé à la source de neutrons de la TU Wien dans le Prater de Vienne tandis que les mesures finales ont été réalisées à l'ILL de Grenoble, La France.

"Il est fascinant que nous ayons induit un effet quantique pur qui au début ne peut pas être compris de manière classique, » précise Armin Danner. « Notre intuition ne doit donc pas du tout nous aider ici. Mais nous avons pu démontrer pour un cas très précis que le concept classique d'inertie est toujours valable pour le spin des neutrons."