Les technologies quantiques promettent une informatique plus rapide, un développement amélioré de médicaments et de nouvelles applications de détection. Cependant, les comportements quantiques sont difficiles à étudier expérimentalement puisque la plupart des systèmes ne peuvent supporter les effets quantiques que pendant une courte période.
"La raison pour laquelle les caractéristiques mystérieuses de la physique quantique ont tendance à disparaître si rapidement est un processus appelé décohérence", a déclaré Kaden Hazzard, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université Rice et auteur correspondant d'une étude publiée dans Nature Physics .
"Cela se produit lorsqu'un système quantique interagit avec son environnement, ce qui modifie la physique. Plus le système est grand et plus les couplages avec l'environnement sont importants, plus le système se comportera de manière classique et non quantique - et vous perdrez votre capacité. pour enquêter sur les choses au niveau quantique."
Les scientifiques et collaborateurs de Rice ont pu prolonger le comportement quantique dans un système expérimental près de 30 fois en utilisant des températures ultra-froides et des longueurs d'onde laser pour générer un « piège magique » qui a contribué à retarder l'apparition de la décohérence. L'étude est la première démonstration expérimentale de ce type et offre un nouvel espace pour étudier les interactions quantiques.
Le groupe de Simon Cornish du département de physique de l'université de Durham au Royaume-Uni a collaboré avec Hazzard et son groupe de Rice pour refroidir les molécules à un milliard de fois en dessous de la température ambiante afin de créer un système mécanique quantique unique. Ils ont ensuite configuré ces molécules pour qu'elles tournent de manière quantique (une situation analogue à celle des molécules qui s'alignent et tournent simultanément dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse) en utilisant un rayonnement micro-ondes.
"Lorsque vous refroidissez des atomes ou des molécules à ces températures extrêmement basses, vous pouvez les contrôler avec la lumière", a expliqué Cornish. "Vous pouvez réellement utiliser des lasers pour pousser les atomes et les faire aller là où vous voulez qu'ils aillent. Vous pouvez également utiliser des lasers pour les piéger ou les retenir, ce qui vous donne un niveau de précision et de contrôle que vous n'auriez pas normalement. ."
Généralement, la cohérence de ce comportement de rotation dans les molécules ultra-froides se désintègre en très peu de temps. Jusqu’à présent, l’état quantique de molécules en rotation le plus long enregistré était mesuré à 1/20 de seconde. Le groupe de Cornish, cependant, s'est inspiré des travaux théoriques de Svetlana Kotochigova de l'Université Temple, qui suggéraient qu'une certaine longueur d'onde « magique » de la lumière pourrait préserver la cohérence quantique pendant une période de temps plus longue.
"Le comportement quantique devient d'autant plus important que le système est froid et amène le comportement quantique à des échelles plus grandes", a déclaré Jonathan Stepp, un étudiant diplômé du groupe de Hazzard. "Et avoir des lasers à la bonne longueur d'onde peut 'piéger' les molécules, afin qu'elles puissent tourner de manière synchronisée, ce qui préserve la cohérence quantique plus longtemps."
Lorsque le groupe a appliqué cette théorie en laboratoire comme nouvelle technique expérimentale, ils ont créé un « piège magique » qui maintenait les molécules en rotation de manière quantique pendant une période beaucoup plus longue. Alors qu'Hazzard pensait que ce piège laser « magique » pourrait multiplier par deux ou trois la cohérence quantique, il a été choqué de voir qu'il maintenait les molécules en rotation uniforme pendant près de 1,5 seconde, soit une multiplication par 30.
"Même si je ne suis pas surpris que cela ait fonctionné, je suis vraiment surpris de voir à quel point cela a bien fonctionné", a déclaré Hazzard.
Zewen Zhang, un autre étudiant diplômé du groupe de Hazzard, a déclaré que des temps de cohérence améliorés permettront aux scientifiques d'étudier des questions fondamentales sur la matière quantique en interaction.
"À mesure que les temps de cohérence s'allongent, de nouveaux effets apparaissent", a déclaré Zhang. "Nous pouvons commencer l'exploration en comparant les mesures expérimentales à nos calculs. Une cohérence améliorée est également une étape vers l'utilisation de molécules ultra-froides comme plate-forme pour diverses technologies quantiques."
"Même si le comportement quantique semble être une chose très exotique, il est en réalité responsable de choses que nous voyons tous les jours, de la façon dont les métaux conduisent l'électricité à la façon dont la fusion est produite par le soleil", a ajouté Hazzard, membre de la Rice Quantum Initiative et l'Institut Smalley-Curl. "Si vous souhaitez créer de nouveaux matériaux, de nouveaux capteurs ou d'autres technologies quantiques, vous devez comprendre ce qui se passe au niveau quantique, et cette recherche est une étape vers de nouvelles connaissances."
Plus d'informations : Philip D. Gregory et al, Cohérence rotationnelle à seconde échelle et interactions dipolaires dans un gaz de molécules polaires ultra-froides, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02328-5
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université Rice
