Dans le domaine de la mécanique quantique, la génération de l'intrication quantique reste l'un des objectifs les plus ambitieux. Enchevêtrement, tout simplement, est lorsque l'état quantique de chaque particule ou d'un groupe de particules n'est pas indépendant des états quantiques d'autres particules ou groupes, même sur de longues distances. Les particules intriquées ont toujours fasciné les physiciens, car la mesure d'une particule intriquée peut entraîner un changement dans une autre particule intriquée, célèbre qualifié d'« action effrayante à distance » par Einstein. A présent, les physiciens comprennent cet effet étrange et comment l'utiliser, par exemple pour augmenter la sensibilité des mesures. Cependant, les États enchevêtrés sont très fragiles, car ils peuvent être facilement perturbés par la décohérence. Les chercheurs ont déjà créé des états intriqués dans les atomes, photons, électrons et ions, mais ce n'est que récemment que des études ont commencé à explorer l'enchevêtrement dans les gaz de molécules polaires.

« Les molécules sont très attractives pour la simulation quantique, informations quantiques, et mesures de précision, " a expliqué le Dr Ana Maria Rey, professeur adjoint de physique à Boulder de l'Université du Colorado et boursier JILA. La raison en est que les molécules ont un grand nombre de degrés de liberté internes qui peuvent être une ressource utile pour la détection quantique et les tests de physique fondamentale. Un autre avantage de l'utilisation de molécules dans les expériences quantiques est que les molécules ont également des interactions dipolaires à longue distance :contrairement aux atomes qui doivent se heurter pour interagir, les molécules peuvent interagir à distance. "Les molécules offrent de très gros avantages par rapport aux atomes, mais en même temps, ils sont vraiment difficiles à refroidir. En réalité, refroidir les molécules jusqu'à la dégénérescence quantique (condition atteinte lorsqu'elles sont suffisamment froides pour que les effets quantiques dominent) est l'un des objectifs les plus recherchés depuis de nombreuses années. Les progrès ont été très lents, mais ça se passe maintenant."

En 2019, boursier JILA et professeur adjoint à l'Université du Colorado, Rocher, Jun Ye, enfin franchi cette étape importante. Le laboratoire de Ye a réussi à refroidir des molécules composées d'un atome de rubidium et d'un atome de potassium jusqu'à la dégénérescence quantique et d'observer leur nature quantique. Plus récemment, il a compressé ce gaz moléculaire en une pile de matrices en forme de crêpe. Les travaux des groupes de Rey et Ye étudient la nouvelle physique passionnante qui émerge en raison des interactions dipolaires dans de tels réseaux en forme de crêpe.

L'importance de la géométrie des crêpes

Les réactions chimiques sont l'un des ennemis les plus nuisibles au refroidissement des molécules. Il y a quelques années, le laboratoire Ye a pu éviter les réactions chimiques tout en permettant aux molécules d'interagir les unes avec les autres via des interactions dipolaires en chargeant les molécules dans un réseau 3D. Un réseau 3D peut être imaginé comme un parfait cristal de lumière. Dans un réseau 3D, les molécules sont épinglées sur des sites individuels du réseau sans bouger. Les molécules interagissent alors via des interactions dipolaires de la même manière que les aimants interagissent :lorsqu'ils sont placés côte à côte ils se repoussent et lorsqu'ils sont placés tête-bêche ils s'attirent. Dans un réseau 3D, les molécules subissent à la fois des interactions attractives et répulsives et, par conséquent, en moyenne, les interactions entre les molécules s'annulent. De plus, dans l'expérience sur réseau 3D, la fraction de remplissage moléculaire était très faible, c'est-à-dire que les molécules étaient pour la plupart assez éloignées les unes des autres et n'interagissaient que très faiblement.

Dans une expérience récente, cependant, le groupe Ye a pu augmenter la densité en compressant un gaz dégénéré quantique 3D en quelques crêpes, chacun avec une forme 2D plate. Dans une galette, le groupe Ye a découvert qu'il est possible de supprimer les réactions chimiques indésirables et, en outre, de renforcer les interactions dipolaires. En effet, dans une configuration 2D, toutes les molécules se repoussent et les interactions ne s'équilibrent pas. L'observation passionnante faite par les enquêteurs est que les fortes interactions dipolaires dans la crêpe peuvent également rendre le gaz robuste aux effets de déphasage indésirables et aux réactions chimiques. Bilitewski a déclaré :En étudiant cette forme, « conceptuellement, et c'est au coeur de ce travail, les interactions entre les molécules dépendent des états quantiques dans lesquels elles se trouvent, et donc sur ce confinement. Donc, vous devez d'abord comprendre les interactions dans cette nouvelle géométrie. Il s'avère que ceux-ci ont en fait des propriétés très bénéfiques pour générer la dynamique collective que nous recherchons. mais aussi créer naturellement un enchevêtrement. Selon les mots de Bilitewski :« l'avantage de cette synchronisation collective est que l'enchevêtrement que nous générons devient robuste à certains effets qui le détruiraient habituellement. De tels réseaux intriqués de molécules pourraient avoir des applications pour de futures mesures de diverses quantités, tels que les champs électriques, avec une sensibilité renforcée par l'enchevêtrement.

Les travaux du groupe Rey illustrent l'importance des effets géométriques dans les gaz dipolaires et les phénomènes passionnants à N corps qui restent à explorer une fois les molécules amenées à la dégénérescence quantique. En théorisant sur l'importance de cette forme 2D, Rey a déclaré:"grâce au travail incroyable effectué par Thomas Bilitewski, nous avons pu modéliser leur dynamique quantique et montrer qu'il devrait être possible de les intricer, il a calculé toutes les intégrales nécessaires pour écrire un modèle efficace, a résolu les équations du mouvement et a montré que tout peut être fait pour générer un enchevêtrement par des processus de bascule induits par des interactions dipolaires. »

La production de gaz moléculaires ultrafroids dans des géométries contrôlables laisse présager de nouvelles découvertes et prédictions dans le domaine de la mécanique quantique. "Cette observation était une démonstration que les molécules peuvent explorer le magnétisme quantique, " ajouta Rey, "En d'autres termes, les molécules peuvent se comporter comme des aimants quantiques et imiter le comportement des électrons dans les solides, par exemple. Dans nos récents travaux, nous avons fait un pas en avant dans cette direction. » La proposition avancée par les groupes Rey et Ye n'est que le début de toute la grande science encore à étudier avec des réseaux d'intrication de molécules. Selon Bilitewski :« tout cela est vraiment excitant dans le sens où nous explorons un nouveau régime qui n'est disponible que maintenant en laboratoire."