Un groupe de physiciens théoriciens, dont deux physiciens de l'Université de Groningue, ont proposé un appareil « de table » qui pourrait mesurer les ondes de gravité. Cependant, leur objectif réel est de répondre à l'une des plus grandes questions de la physique :la gravité est-elle un phénomène quantique ? L'élément clé de l'appareil est la superposition quantique de grands objets. Leur conception a été publiée dans Nouveau Journal de Physique le 6 août.

Déjà au stade de la préimpression, l'article écrit par Ryan J. Marshman, Peter F. Barker et Sougato Bose (University College London, ROYAUME-UNI), Gavin W. Morley (Université de Warwick, Royaume-Uni) et Anupam Mazumdar et Steven Hoekstra (Université de Groningue, Pays-Bas) a été saluée comme une nouvelle méthode de mesure des ondes de gravité. Au lieu des détecteurs LIGO et VIRGO actuels de la taille d'un kilomètre, les physiciens travaillant au Royaume-Uni et aux Pays-Bas ont proposé un détecteur de table. Cet appareil serait sensible à des fréquences plus basses que les détecteurs actuels et il serait facile de les pointer sur des parties spécifiques du ciel - en revanche, les détecteurs actuels ne voient qu'une partie fixe.

diamant

La partie clé de l'appareil est un petit diamant, seulement quelques nanomètres. "Dans ce diamant, l'un des carbones est remplacé par un atome d'azote, " explique le professeur assistant Anupam Mazumdar. Cet atome introduit un espace libre dans la bande de valence, qui peut être rempli d'un électron supplémentaire. La théorie quantique dit que lorsque l'électron est irradié avec de la lumière laser, il peut absorber ou non l'énergie des photons. Absorber l'énergie modifierait le spin de l'électron, un moment magnétique qui peut être soit vers le haut, soit vers le bas.

"Tout comme le chat de Schrödinger, qui est mort et vivant à la fois, ce spin électronique absorbe et n'absorbe pas l'énergie photonique, de sorte que son spin est à la fois ascendant et descendant. » Ce phénomène est appelé superposition quantique. Puisque l'électron fait partie du diamant, l'objet entier - avec une masse d'environ 10 ^-17 kilogrammes, ce qui est énorme pour les phénomènes quantiques - est en superposition quantique.

"Nous avons un diamant qui a une rotation ascendante et descendante en même temps, " explique Mazumdar. En appliquant un champ magnétique, il est possible de séparer les deux états quantiques. Lorsque ces états quantiques sont réunis à nouveau en éteignant le champ magnétique, ils vont créer un motif d'interférence. "La nature de cette interférence dépend de la distance parcourue par les deux états quantiques séparés. Et cela peut être utilisé pour mesurer les ondes de gravité." Ces ondes sont des contractions de l'espace, de sorte que leur passage affecte la distance entre les deux états séparés et donc la figure d'interférence.

Lien manquant

L'article montre que cette configuration pourrait effectivement détecter les ondes de gravité. Mais ce n'est pas ce qui intéresse vraiment Mazumdar et ses collègues. "Un système dans lequel on peut obtenir la superposition quantique d'un objet mésoscopique tel que le diamant, et pendant une durée raisonnable, serait une véritable avancée, " dit Mazumdar. " Cela permettrait de prendre toutes sortes de mesures, et l'un d'entre eux pourrait être utilisé pour déterminer si la gravité elle-même est un phénomène quantique. » La gravité quantique est le « chaînon manquant » de la physique depuis près d'un siècle.

Dans un article publié en 2017, Mazumdar et son collaborateur de longue date Sougato Bose, avec plusieurs collègues, ont suggéré que l'intrication entre deux objets mésoscopiques pourrait être utilisée pour savoir si la gravité elle-même est un phénomène quantique. En termes simples :l'intrication est un phénomène quantique, Ainsi, lorsque deux objets qui n'interagissent que par gravité montrent un enchevêtrement, cela prouve que la gravité est un phénomène quantique.

La technologie

« Dans notre dernier article, nous décrivons comment créer une superposition quantique mésoscopique. Avec deux de ces systèmes, nous avons pu montrer l'enchevêtrement. » Cependant, comme ils l'ont remarqué au cours de leur travail, le système unique serait sensible aux ondes gravitationnelles et c'est devenu le centre de la Nouveau Journal de Physique papier.

"La technologie pour construire ces systèmes pourrait prendre quelques décennies à se développer, " reconnaît Mazumdar. Un vide de 10 ^-15 Pascal est requis, tandis que la température de fonctionnement doit être aussi basse que possible, proche du zéro absolu (-273 °C). « La technologie permettant d'obtenir un vide poussé ou une basse température est disponible, mais nous avons besoin de la technologie pour réaliser les deux en même temps. le champ magnétique doit être constant. "Toute fluctuation effondrerait la superposition quantique."

Chute libre

La récompense pour la création de ce genre de système serait grande. "Il pourrait être utilisé pour toutes sortes de mesures dans des domaines tels que la physique des ultra-basses énergies ou l'informatique quantique, par exemple." Et il pourrait, bien sûr, être utilisé pour déterminer si la gravité est un phénomène quantique. Mazumdar, Bose et ses collègues viennent de télécharger une autre préimpression dans laquelle ils décrivent comment cette expérience pourrait être réalisée. "Pour s'assurer que la seule interaction entre les deux objets intriqués est la gravité entre eux, l'expérience doit être faite en chute libre, " explique Mazumdar. Avec un enthousiasme visible, il décrit un puits de chute d'un kilomètre de long dans une mine profonde, pour réduire les interférences. Deux systèmes quantiques mésoscopiques intriqués doivent être abandonnés à plusieurs reprises pour obtenir une mesure fiable. "Je pense que cela peut être fait de mon vivant. Et le résultat résoudrait enfin l'une des plus grandes questions de la physique."