La théorie de la mécanique quantique prédit que, en plus de présenter un comportement de type particules, les particules de toutes tailles peuvent également avoir des propriétés en forme d'onde. Ces propriétés peuvent être représentées en utilisant la fonction d'onde, une description mathématique des systèmes quantiques qui délimite les mouvements d'une particule et la probabilité qu'il soit dans une position spécifique.
Alors que les physiciens ont pu préparer les fonctions d'onde de nombreuses petites particules, la préparation de celles de particules plus grandes s'est avérée difficile. Cela est principalement dû au fait que le comportement en forme d'onde des particules plus grosses est plus sujet à être détruit par des interactions indésirables que leur comportement classique semblable à des particules.
Des chercheurs de Eth Zurich et de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone ont récemment introduit une nouvelle méthode qui pourrait aider à délimiter la fonction d'onde des particules plus grandes. Leur approche proposée, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueexploite une technique connue sous le nom de compression quantique pour augmenter la longueur de cohérence, qui est la distance sur laquelle le comportement en forme d'onde d'une nanoparticule à lévitation optiquement reste bien défini.
« L'une des plus belles manifestations de la physique quantique est l'interférence des ondes », a déclaré à Issues.fr Massimiliano Rossi, premier auteur du journal. « Cela montre que des objets massifs, que nous nous attendons normalement à se comporter comme des particules, peuvent également se comporter comme des vagues – comme des ondulations sur l'eau. En théorie, ce comportement ressemblant à une vague s'applique non seulement aux atomes mais aussi à des objets beaucoup plus grands et plus« ordinaires ».
« Les nanoparticules sont un exemple parfait: ils sont partout dans la nature, de taille similaire aux virus, et nous les considérons comme de minuscules morceaux de poussière. Mais si vous prenez une seule nanoparticule, isolez-la extrêmement bien de son environnement et contrôlez son mouvement, la mécanique quantique prévoit qu'il devrait également montrer des interférences. »
Rossi et ses collègues, ainsi que d'autres physiciens axés sur la lévitation optomécanique des particules, ont essayé de réaliser cette idée expérimentalement depuis des années. Jusqu'à présent, cependant, l'observation des interférences dans des nanoparticules individuelles s'est avérée difficile à réaliser.
« Une étape clé atteinte il y a quelques années a été de refroidir une nanoparticule à son état fondamental quantique, ce qui signifie le placer dans un paquet d'ondes bien défini », a déclaré Rossi. « Le problème est que ce paquet d'ondes est très étroit – seuls quelques picomètres de large. Pour observer les interférences, vous auriez besoin d'un réseau de diffraction de cette même petite échelle, ce qui est difficile, voire impossible, à construire.
L'objectif principal de la récente étude de l'équipe était d'essayer d'augmenter le paquet d'ondes quantiques d'un nanoparticule. S'ils pouvaient suffisamment agrandir ce paquet d'ondes, ils pourraient être en mesure d'ouvrir la porte pour des expériences d'interférence avec des nanoparticules de lévitation optiquement.
« Le principe de base est simple et vient directement des manuels », a expliqué Rossi. « Dans un potentiel harmonique, comme celui d'une pince à pince optique, un paquet d'ondes gaussien reste étroitement confiné (vers 22 heures dans notre cas). Mais si vous supprimez soudainement le potentiel, il y a la délocalisation: le paquet de vagues se propage au fil du temps, augmenter sa` `taille ''. Bien sûr, en pratique, nous ne pouvons pas simplement désactiver le piège, car alors le nanoparticule allait simplement tomber. »
Pour surmonter ce défi, Rossi et ses collègues ont temporairement rendu le piège optique qu'ils utilisaient plus faible. Quand ils l'ont fait, ils ont constaté que le packet d'onde de la particule s'est initialement développé, mais a ensuite été recompressé par le piège, revenant à sa taille d'origine.
« L'astuce consiste à revenir au piège serré avant que cela ne se produise », a déclaré Rossi. « De cette façon, le paquet d'ondes conserve sa taille élargie, nous donnant une délocalisation plus grande. Avec cette méthode, nous avons réussi à augmenter la délocalisation de la nanoparticule à 70 pm – plus que le double de la longueur de cohérence de l'état fondamental. En termes absolus, il est encore petit pour les expériences de diffraction, mais cela prouve que l'idée fonctionne. »
En utilisant leur méthode nouvellement conçue, les chercheurs ont pu atteindre au-delà de la limite étroite de l'état fondamental rapporté dans des expériences antérieures et agrandir activement le paquet d'ondes quantique d'une nanoparticule de manière contrôlée. En principe, leur approche pourrait également être étendue, ce qui pourrait finalement permettre des expériences d'interférence avec des objets massifs.
« Si nous répétons le processus avec plusieurs impulsions, la délocalisation peut croître de façon exponentielle – en supposant que la décohérence est maintenue bas », a déclaré Rossi. « Cela rend réaliste d'atteindre un jour les longueurs de cohérence comparables à la taille propre de la nanoparticule.
Les travaux récents de Rossi et de ses collègues pourraient bientôt inspirer d'autres physiciens à concevoir des approches similaires pour réaliser la délocalisation quantique des particules en lévitation. Dans le cadre de leurs prochaines études, les chercheurs espèrent concevoir des stratégies efficaces pour supprimer la décohérence dans le système optique qu'ils ont utilisé.
« À l'heure actuelle, la principale source de décohérence provient de photons dispersés par la pince à pince optique », a ajouté Rossi. « Pour surmonter cela, dans notre groupe, nous développons une approche hybride de la lévitation: nous combinerons la pince à pince optique avec un piège quadrupolaire électrique, similaire à ceux utilisés pour les ions.
« De tels pièges peuvent fournir du confinement avec des taux de décohérence extrêmement faibles – beaucoup plus bas que ce qui est possible avec les pincettes optiques seules. Cela nous permettra de pousser encore plus loin la délocalisation, visant finalement une interférence quantique avec des objets vraiment macroscopiques. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
