Dans la vie de tous les jours, la matière se comporte de manière prévisible, manière attendue. Si vous lancez une balle, vous supposez qu'il se déplacera dans une certaine direction et qu'il aura un recul prévisible. Quoi de plus, les forces exercées sur un objet n'auraient pas d'impact sur un autre, objet indépendant.

Mais en mécanique quantique – la physique du minuscule – les règles sont complètement différentes. Dans une, deux, et les systèmes à trois particules, les actions qui se produisent à un endroit peuvent fortement influencer les atomes éloignés. Les scientifiques n'ont pas encore une compréhension complète de cela, mais, en analysant le comportement de ces systèmes et d'autres plus complexes, ils espèrent trouver des idées.

Chercheurs de l'unité Quantum Systems de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), aux côtés de collaborateurs de l'University College Dublin et de l'Université de Durham, simulé l'un de ces systèmes, qui a révélé des états quantiques - les manières dont les particules s'organisent dans des systèmes isolés - qui étaient inattendus. leurs résultats, Publié dans Nouveau Journal de Physique , pourrait avoir des applications pour les technologies quantiques.

"Si vous jetez une pierre d'un bateau, la pierre va dans un sens et le bateau va dans l'autre, " a expliqué le professeur Thomas Busch, qui dirige l'Unité. « En mécanique quantique, nous pouvons avoir des corrélations beaucoup plus fortes à des distances beaucoup plus grandes. C'est comme si tu mettais une chaussette rouge et une chaussette verte, puis quelqu'un en Antarctique, que tu n'as jamais rencontré, devrait faire de même. Et notre travail a trouvé de nouveaux états avec ces très fortes corrélations, qui se contrôle très bien."

Expérimenter avec deux atomes

Lorsque les scientifiques recherchent des systèmes macroscopiques, ils ont tendance à regarder de nombreuses particules - disons 1, 023. Parce qu'il y en a tellement, ils ne peuvent pas suivre chaque atome et doivent faire des hypothèses. Pour éviter cela, les chercheurs de cette étude ont utilisé une autre option.

"Nous avons simulé un système avec seulement deux atomes, " a déclaré le premier auteur Ayaka Usui, un doctorat étudiant dans l'Unité. « Cela a fourni un élément constitutif du système plus large, mais nous pouvions tout contrôler et voir exactement ce qui se passait. Et, pour mieux contrôler ce système, nous avons considéré des atomes super-froids."

À température ambiante, les particules se déplacent très rapidement. Plus il fait chaud, plus ils bougent vite. En utilisant le refroidissement laser, ces atomes peuvent être ralentis et refroidis jusqu'à ce qu'ils atteignent une vitesse presque nulle et sont donc super froids. Cela a permis à Ayaka et à ses collègues de les décrire beaucoup plus facilement dans leurs simulations.

Dans un système comme celui-ci, la chose la plus simple que les particules puissent faire est d'entrer en collision les unes avec les autres. Cela les oblige à se déplacer et à changer de direction, mais les particules ont aussi quelque chose appelé spin. Le spin d'une particule pointe vers le haut ou vers le bas et influence davantage son mouvement, un effet appelé couplage spin-orbite. Lorsque les chercheurs ont simulé un système avec deux atomes super-froids couplés spin-orbite, ces nouveaux états, avec leurs très fortes corrélations, ont été révélés.

"Nous avons les systèmes à deux particules où vous obtenez ces états et ceux avec 1, 023 où vous ne le faites pas, " a déclaré le Dr Thomás Fogarty, Chercheur postdoctoral dans l'Unité. "Quelque part le long de cette longue chaîne d'ajout de particules, ces nouveaux états s'en vont."

Ingénierie d'autres idées

"A côté des nouveaux États, nous avons découvert les formules qui décrivent exactement ce système, " dit Ayaka. " Alors maintenant, nous pouvons le concevoir."

En trouvant ces formules, les chercheurs ont le contrôle du système et ils prévoient maintenant de modifier les paramètres pour examiner la dynamique du système.

"Nous allons diviser le système, donc nous en avons deux, " a déclaré Ayaka. "Nous pouvons utiliser les fortes corrélations pour nous aider à mesurer le système. Si nous trouvons un atome dans l'un des systèmes, nous savons que l'autre est aussi dans celui-là, sans le mesurer, car ils sont étroitement corrélés."

Bien que cette recherche ne se concentre que sur un petit aspect de ce que la mécanique quantique peut faire, il a de nombreuses applications, dit le professeur Busch.

"Les technologies quantiques ont besoin de ces corrélations, " a-t-il expliqué. " Ces nouveaux états ont les corrélations non classiques les plus fortes que nous connaissions, et nous pouvons les concevoir. Avec cette recherche, nous pourrions construire des ordinateurs plus puissants. Nous pourrions créer des appareils de mesure qui mesurent de minuscules différences de gravité ou d'impulsions électriques dans le cerveau. Il y a tellement d'applications sur lesquelles travailler."