Image d’illustration — Vink Fan / Shutterstock.com

L’Univers est régi par deux ensembles de lois physiques apparemment incompatibles : la physique classique à notre échelle, et la physique quantique à l’échelle atomique. Des physiciens du MIT ont observé le moment où les atomes passent de l’une à l’autre, en formant des « tornades quantiques ».

Des interactions fragiles

Dans le monde étrange de la physique quantique, les particules peuvent notamment exister à plusieurs endroits à la fois, traverser des obstacles ou partager instantanément des informations sur de grandes distances. Ces phénomènes étranges, et bien d’autres, peuvent apparaître lorsque les particules interagissent entre elles mais, malheureusement, le monde dominant de la physique classique peut interférer et compliquer l’étude de ces interactions fragiles.

L’un des moyens d’amplifier les effets quantiques consiste à refroidir les atomes à une température très sensiblement supérieure au zéro absolu, créant ainsi un état de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (CBE) qui peut présenter des propriétés quantiques à une échelle plus grande et visible.

C’est précisément ce qu’a fait l’équipe du MIT pour cette nouvelle étude parue dans la revue Nature, afin d’étudier ce que l’on appelle un fluide de Hall quantique. Cet étrange type de matière est constitué de nuages d’électrons piégés dans des champs magnétiques, qui commencent à interagir entre eux de manière inhabituelle pour produire des effets quantiques. Au lieu d’électrons, qui sont trop difficiles à voir clairement dans ce système, les chercheurs ont fabriqué un CBE à partir d’environ un million d’atomes de sodium ultra-froids.

« Nous nous sommes dit : faisons en sorte que ces atomes froids se comportent comme des électrons dans un champ magnétique, mais que nous puissions contrôler précisément », explique Martin Zwierlein, auteur principal de l’étude. « Nous pourrons alors visualiser ce que font les atomes individuels, et voir s’ils obéissent à la même physique quantique. »

Quand un nuage d’atomes étiré donne naissance à des tornades quantiques

L’équipe a placé ce nuage d’atomes dans un piège électromagnétique, puis les a fait tourner à une vitesse de 100 rotations par seconde. Le nuage s’est étiré en une longue aiguille de plus en plus fine, et c’est à ce moment-là que les atomes ont adopté un comportement quantique.

La structure de l’aiguille a d’abord commencé à se plier d’avant en arrière comme un serpent en mouvement, puis s’est brisée en segments. Toujours en rotation, ces segments ont formé un étrange motif cristallin que l’équipe a décrit comme une série de tornades quantiques. Ce comportement est entièrement régi par les interactions entre les atomes et pourrait avoir des implications intrigantes pour la mécanique quantique et classique.

« Cette évolution est liée à l’idée de la façon dont un papillon en Chine peut engendrer une tempête ici, en raison des instabilités qui déclenchent des turbulences », explique Zwierlein. « Il s’agit en quelque sorte d’une météo quantique : Le fluide, du seul fait de ses instabilités quantiques, se fragmente en cette structure cristalline de petits nuages et tourbillons. Et pouvoir observer directement ces effets quantiques constitue une importante percée. »

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