Les particules peuvent se déplacer sous forme d'ondes le long de différents chemins en même temps - c'est l'une des découvertes les plus importantes de la physique quantique. Un exemple particulièrement impressionnant est l'interféromètre à neutrons :des neutrons sont projetés sur un cristal, l'onde neutronique est divisée en deux parties, qui se superposent ensuite à nouveau. Un motif d'interférence caractéristique peut être observé, ce qui prouve les propriétés ondulatoires de la matière.

Ces interféromètres à neutrons ont joué un rôle important pour les mesures de précision et la recherche fondamentale en physique pendant des décennies. Cependant, leur taille a été limitée jusqu'à présent car ils ne fonctionnaient que s'ils étaient taillés dans un seul morceau de cristal. Depuis les années 1990, des tentatives ont également été faites pour produire des interféromètres à partir de deux cristaux distincts, mais sans succès. Aujourd'hui, une équipe de la TU Wien, de l'INRIM Turin et de l'ILL Grenoble a réalisé précisément cet exploit, en utilisant une plate-forme tip-tilt de haute précision pour l'alignement des cristaux. Cela ouvre de toutes nouvelles possibilités pour les mesures quantiques, y compris la recherche sur les effets quantiques dans un champ gravitationnel.

La première étape en 1974

L'histoire de l'interférométrie neutronique a commencé en 1974 à Vienne. Helmut Rauch, pendant de nombreuses années professeur à l'Institut atomique de la TU Wien, a créé le premier interféromètre à neutrons à partir d'un cristal de silicium et a pu observer la première interférence de neutrons au réacteur TRIGA de Vienne. Quelques années plus tard, la TU Wien installe une station permanente d'interférométrie, la S18, à la source de neutrons la plus puissante du monde, l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Cette configuration est opérationnelle jusqu'à aujourd'hui.

"Le principe de l'interféromètre est similaire à la célèbre expérience à double fente, dans laquelle une particule est projetée sur une double fente à la manière d'une onde, traverse les deux fentes simultanément sous forme d'onde, puis se superpose à elle-même, de sorte qu'après un motif d'onde caractéristique est créé au niveau du détecteur », explique Hartmut Lemmel (TU Wien).

Mais alors que dans l'expérience à double fente, les deux fentes ne sont qu'à une distance minimale, dans l'interféromètre à neutrons, les particules sont divisées en deux chemins différents avec plusieurs centimètres entre eux. L'onde particulaire atteint une taille macroscopique - néanmoins, en superposant les deux chemins, on crée un motif d'onde qui prouve clairement que la particule n'a pas choisi l'un des deux chemins, elle a utilisé les deux chemins simultanément.

Toute inexactitude peut détruire le résultat

Les superpositions quantiques dans un interféromètre à neutrons sont extrêmement fragiles. "De minuscules imprécisions, vibrations, déplacements ou rotations du cristal détruisent l'effet", explique Hartmut Lemmel. "C'est pourquoi vous fraisez généralement l'interféromètre entier à partir d'un seul cristal." Dans un cristal, tous les atomes sont connectés les uns aux autres et ont une relation spatiale fixe entre eux, ce qui vous permet de minimiser l'influence des perturbations externes sur l'onde neutronique.

Mais cette conception monolithique limite les possibilités, car les cristaux ne peuvent être fabriqués dans aucune taille. "Dans les années 1990, on a donc essayé de créer des interféromètres à neutrons à partir de deux cristaux qui pourraient ensuite être positionnés à une plus grande distance l'un de l'autre", explique Lemmel, "mais cela n'a pas abouti. L'alignement des deux cristaux l'un contre l'autre n'a pas atteint la précision requise."

Exigences extrêmes en matière de précision

Les exigences en matière de précision sont extrêmes. Lorsqu'un cristal de l'interféromètre est déplacé d'un seul atome, le motif d'interférence se décale d'une période complète. Si l'un des cristaux est tourné d'un angle de l'ordre d'un cent millionième de degré, la figure d'interférence est détruite. La précision angulaire requise correspond à peu près au tir d'une particule de Vienne à Grenoble et visant une tête d'épingle distante de 900 kilomètres ou visant un couvercle de drain sur la Lune.

L'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) de Turin a fourni les technologies nécessaires, qu'il avait développées au fil des décennies dans le domaine de l'interférométrie combinée optique et à rayons X. Scanning X-ray interferometers also consist of separate silicon crystals and are similarly sensitive. The sensitivity to the spatial displacement of a crystal was used in Turin to determine the lattice constant of silicon with unprecedented accuracy. This result allows for the possibility of counting the atoms of a macroscopic silicon sphere, determining the Avogadro and Planck constants and redefining the kilogram.

"Although the required accuracy is even more severe for neutrons, what worked with separate crystal X-ray interferometers should also work with separate crystal neutron interferometers," says Enrico Massa from INRIM. With an additional built-in laser interferometer, vibration damping, temperature stabilization and INRIM's overseeing of the crystals' assembly and alignment, the collaboration has finally succeeded in detecting neutron interference in a system of two separate crystals.

Important for fundamental research

"This is an important breakthrough for neutron interferometry," says Michael Jentschel from the ILL. "Because if you can control two crystals well enough that interferometry is possible, you can also increase the distance and expand the size of the overall system quite easily."

For many experiments, this total size determines the accuracy that can be achieved in the measurement. It will become possible to investigate fundamental interactions with unprecedented accuracy—for example, the sensitivity of neutrons to gravity in the quantum regime and to hypothetical new forces.

The research was published in the Journal of Applied Crystallography . + Explorer plus loin

One particle on two paths:Quantum physics is right