La gravité est-elle un phénomène quantique ? C'est l'une des grandes questions en suspens en physique depuis des décennies. Avec des collègues du Royaume-Uni, Anupam Mazumdar, un physicien de l'Université de Groningue, a proposé une expérience qui pourrait régler le problème. Cependant, elle nécessite l'étude de deux très grands systèmes quantiques intriqués en chute libre. Dans un nouveau journal, qui a pour premier auteur un étudiant de troisième année de licence, Mazumdar présente un moyen de réduire le bruit de fond pour rendre cette expérience plus gérable.

Trois des quatre forces fondamentales de la physique peuvent être décrites en termes de théorie quantique. Ce n'est pas le cas pour la quatrième force (gravité), qui est décrit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'expérience que Mazumdar et ses collègues ont conçue précédemment pourrait prouver ou réfuter la nature quantique de la gravité.

Superposition

Une conséquence bien connue de la théorie quantique est le phénomène appelé superposition quantique :dans certaines situations, les états quantiques peuvent avoir deux valeurs différentes en même temps. Prenez un électron qui est irradié avec de la lumière laser. La théorie quantique dit qu'elle peut absorber ou non l'énergie des photons de la lumière. Absorber l'énergie modifierait le spin de l'électron, un moment magnétique qui peut être soit vers le haut, soit vers le bas. Le résultat de la superposition quantique est que le spin est à la fois ascendant et descendant.

Ces effets quantiques ont lieu dans de minuscules objets, comme les électrons. En ciblant un électron dans un diamant miniature spécialement construit, il est possible de créer une superposition dans un objet beaucoup plus grand. Le diamant est assez petit pour soutenir cette superposition, mais aussi assez grand pour ressentir l'attraction de la gravité. C'est cette caractéristique qu'exploite l'expérience :placer deux de ces diamants l'un à côté de l'autre en chute libre et, donc, annulant la gravité externe. Cela signifie qu'ils n'interagissent que par la gravité entre eux.

Difficile

Et c'est là qu'intervient un autre phénomène quantique. L'intrication quantique signifie que lorsque deux particules ou plus sont générées à proximité, leurs états quantiques sont liés. Dans le cas des diamants, si l'on est en rotation, L'autre, le diamant enchevêtré doit être tourné vers le bas. Donc, l'expérience est conçue pour déterminer si l'intrication quantique se produit dans la paire pendant la chute libre, lorsque la force de la gravité entre les diamants est la seule façon dont ils interagissent.

"Toutefois, cette expérience est très difficile, " explique Mazumdar. Lorsque deux objets sont très proches, un autre mécanisme possible d'interaction est présent, l'effet Casimir. Dans le vide, deux objets peuvent s'attirer par cet effet. "La taille de l'effet est relativement importante et pour pallier le bruit qu'il crée, nous aurions à utiliser des diamants relativement gros. » Il était clair dès le départ que ce bruit devrait être réduit pour rendre l'expérience plus gérable. Par conséquent, Mazumdar voulait savoir si le blindage contre l'effet Casimir était possible.

Confinement

Il a confié le problème à Thomas van de Kamp, étudiante en troisième année de licence de physique. "Il est venu me voir parce qu'il s'intéressait à la gravité quantique et voulait faire un projet de recherche pour sa thèse de Bachelor, " dit Mazumdar. Pendant le confinement printanier, quand la plupart des cours normaux ont été suspendus, Van de Kamp a commencé à travailler sur le problème. "Dans un délai remarquablement court, il a présenté sa solution, qui est décrit dans notre article."

Cette solution est basée sur la pose d'une plaque conductrice de cuivre, environ un millimètre d'épaisseur, entre les deux diamants. La plaque protège le potentiel Casimir entre eux. Sans l'assiette, ce potentiel rapprocherait les diamants les uns des autres. Mais avec l'assiette, les diamants ne sont plus attirés les uns vers les autres, mais à la plaque entre eux. Mazumdar :« Cela supprime l'interaction entre les diamants via l'effet Casimir, et supprime donc beaucoup de bruit de l'expérience."

Remarquable

Les calculs effectués par Van de Kamp montrent que les masses des deux diamants peuvent être réduites de deux ordres de grandeur. "Cela peut sembler un petit pas, mais cela rend l'expérience moins exigeante. d'autres paramètres tels que le niveau de vide nécessaire pendant l'expérience deviennent également moins exigeants en raison du blindage de l'effet Casimir. Mazumdar dit qu'une nouvelle mise à jour sur l'expérience, qui comprend également une contribution de l'étudiant en Bachelor Thomas van de Kamp, apparaîtra probablement dans un futur proche. "Donc, son projet de six mois lui a valu la co-auteur de deux articles, un exploit assez remarquable."