Un tour inattendu dans le système quantique

"Aucun scientifique ne pense en termes de formules", aurait dit un jour Albert Einstein à son collègue Leopold Infeld. En effet, pour les physiciens qui s'occupent de choses aussi abstraites que la physique quantique, il est souvent extrêmement utile de travailler avec des images claires plut?t qu'avec des symboles mathématiques. C'est ce qu'ont fait Tilman Esslinger et ses collègues, professeurs à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, lorsqu'ils ont récemment découvert un nouvel effet dans leur système de mécanique quantique. Bien qu'ils aient étudié de minuscules atomes et particules de lumière dans leur expérience, ils ont pu se rapprocher de leurs observations avec une image saisissante : celle d'un axe qui tourne dans un palier d'arbre. Leurs résultats ont été publiés dans la revue spécialisée Science.

Un système quantique complexe

"En fait, nous n'avions pas cherché cet effet", explique Esslinger. "Ce n'est qu'après coup que nous avons compris la signification de nos données". Lui et ses collaborateurs s'étaient attaqués à un sujet très complexe : Un système quantique dans lequel les différentes particules interagissent entre elles et qui est à la fois alimenté de l'extérieur et dissipatif. "Dissipatif" signifie qu'en raison de la dispersion de l'énergie, les états quantiques des particules ne changent pas seulement de manière cohérente au fil du temps - c'est-à-dire de manière à ce que leurs états de superposition soient conservés. Au lieu de cela, une connexion contr?lée avec le monde extérieur entra?ne la disparition progressive des états de superposition. Si la dissipation est très forte, ils disparaissent très rapidement, et les particules se comportent alors de manière similaire à la physique classique, que nous connaissons par l'observation quotidienne. En l'absence de toute dissipation, l'évolution temporelle du système de particules est quant à elle exclusivement déterminée par la mécanique quantique - une forme idéale que les physiciens exploitent par exemple pour la construction d'ordinateurs quantiques.

Modèles atomiques

"On peut assez bien calculer et comprendre ces deux extrêmes", explique Tobias Donner, qui travaille comme Senior Scientist dans le laboratoire d'Esslinger. "Mais cela devient beaucoup plus difficile pour les systèmes situés au milieu, où le développement cohérent et la dissipation sont aussi importants l'un que l'autre". Pour construire un tel système quantique en laboratoire, les physiciens ont refroidi des atomes à des températures proches du zéro absolu, soit environ -273 degrés Celsius, et les ont exposés à un faisceau laser focalisé qui piège et entra?ne les atomes dans une sorte de grille lumineuse. Chacun des atomes possède alors un "spin" qui peut être dirigé vers le haut ou vers le bas (comme l'aiguille d'une boussole qui pointe vers le nord ou vers le sud). De plus, les atomes froids sont entourés de deux miroirs dans une cavité qui réfléchissent la lumière diffusée par les atomes dans un sens et dans l'autre.

L'interaction entre les atomes, le rayon laser et la lumière dans la cavité conduit maintenant à ce que les atomes s'organisent spontanément en un damier. Cela peut se faire de deux manières. Dans une variante, les atomes ne se trouvent pour ainsi dire que sur les cases "blanches", tandis que les cases noires restent vides (voir illustration). Dans l'autre variante, il y a également deux sortes de cases, rouges et vertes, mais sur les cases rouges se trouvent uniquement des atomes dont le spin est dirigé vers le haut et sur les cases vertes uniquement des atomes dont le spin est dirigé vers le bas.

Une rotation surprenante

Laquelle de ces deux variantes les atomes préfèrent dépend de la direction d'oscillation de la lumière laser irradiée, strictement selon les règles de la mécanique quantique - du moins lorsque les atomes ne sont pas soumis à une dissipation. Lorsque les physiciens ont mené l'expérience dans un régime où l'influence de la dissipation (due à la perte de particules de lumière de la cavité) était suffisamment importante, il s'est soudain produit quelque chose d'inhabituel. "Nos données n'indiquaient plus l'un des deux motifs, mais il semblait que les atomes tournaient toujours dans un certain sens à travers les motifs", explique Esslinger pour décrire les résultats inattendus. "C'était une découverte passionnante - mais nous n'avions absolument aucune idée de la raison de ce phénomène".

Une force inhabituelle

En simplifiant les équations de la mécanique quantique pour leur expérience, les physiciens ont finalement pu découvrir un parallèle avec un système mécanique. En effet, les formules présentaient une ressemblance étonnante avec celles qui décrivent un axe en rotation dans un palier d'arbre. Entre l'axe et le palier d'arbre se trouve un liquide lubrifiant visqueux qui doit assurer une rotation régulière. Toutefois, si l'axe s'éloigne un peu du centre du palier d'arbre, une force de frottement plut?t inhabituelle appara?t, qui dépend de la position de l'axe. Cette force est due au fait que, le long d'une direction, la distance entre l'axe en rotation et le palier d'arbre au repos diminue, ce qui entra?ne différentes forces de frottement sur l'axe et le palier. La force résultante, qui dépend de la position, est perpendiculaire à la direction dans laquelle l'axe s'est déplacé. En réaction, le centre de l'axe commence à se déplacer en spirale autour du centre du palier d'arbre.

Maintenant que les physiciens peuvent décrire l'effet quantique inattendu avec une image claire, ils pensent déjà à l'étape suivante : l'exploiter pour diriger et contr?ler les systèmes quantiques de manière ciblée. "Normalement, la dissipation entra?ne une modification ou une atténuation des effets quantiques existants - mais ici, nous avons un effet qui est créé par la dissipation", explique Esslinger. Les chercheurs se demandent donc si des effets similaires se produisent peut-être plus souvent dans les systèmes quantiques et comment ils peuvent être utilisés dans la technologie quantique actuellement en cours de développement.