Illustration artistique d’une bague Alice, que des chercheurs viennent d’observer pour la première fois dans la nature. Crédit : Heikka Valja/Université Aalto
Les expériences mettent en avant un curieux revers des monopôles en décomposition : une réalité où la physique des particules est littéralement bouleversée.
Le domaine de la physique quantique regorge de voies menant à de nouveaux domaines d’étude alléchants, mais un terrier de lapin offre un point de vue unique sur un monde où les particules se comportent différemment – à travers le miroir proverbial.
Surnommé « l’anneau d’Alice » d’après les histoires de renommée mondiale de Lewis Carroll sur les aventures d’Alice au pays des merveilles, l’apparition de cet objet confirme une théorie vieille de plusieurs décennies sur la façon dont les monopôles se dégradent. Plus précisément, ils se désintègrent en un vortex en forme d’anneau, où tous les autres monopôles passant par son centre sont basculés dans leurs charges magnétiques opposées.
Publié récemment dans la revue Communications naturellesces résultats marquent la dernière découverte d’une série de travaux qui ont couvert les carrières collaboratives du professeur Mikko Möttönen de l’Université Aalto et du professeur David Hall de l’Amherst College.
Un bond en avant dans la collaboration
« C’était la première fois que notre collaboration parvenait à créer des anneaux Alice dans la nature, ce qui était une réussite monumentale », a déclaré Möttönen.
« Cette recherche fondamentale ouvre de nouvelles portes pour comprendre comment ces structures et leurs analogues en physique des particules fonctionnent dans l’univers », a ajouté Hall.
La relation de longue date, intitulée Monopole Collaboration, a initialement prouvé l’existence d’un analogue quantique du monopôle magnétique en 2014, a isolé des monopôles quantiques en 2015 et a finalement observé une désintégration dans l’autre en 2017.
Comprendre les monopoles
Les monopôles restent un concept insaisissable dans le domaine de la physique quantique. Comme leur nom l’indique, les monopôles sont la contrepartie solitaire des dipôles, qui portent une charge positive au pôle nord et une charge négative au sud. En revanche, un monopôle ne porte qu’une charge positive ou négative.
Bien que le concept semble simple, créer un véritable monopole s’est avéré être une tâche déterminante pour une carrière. Voici comment la Collaboration Monopole a procédé : ils ont manipulé un gaz d’atomes de rubidium préparé dans un état non magnétique à proximité zéro absolu température. Dans ces conditions extrêmes, ils ont ensuite pu créer un monopôle en dirigeant le point zéro d’un champ magnétique tridimensionnel vers le gaz quantique.
L’émergence d’Alice Rings
Ces monopôles quantiques sont éphémères par nature, se désintégrant quelques millisecondes après leur création. C’est au sein de cette instabilité que prend forme la bague Alice.
« Considérez le monopôle comme un œuf qui vacille au sommet d’une colline », a déclaré Möttönen. « La moindre perturbation peut le faire s’effondrer. De la même manière, les monopôles sont soumis au bruit qui déclenche leur désintégration en anneaux Alice.
Bien que les monopôles soient de courte durée, le groupe de recherche a simulé des anneaux Alice stables pendant une durée pouvant atteindre 84 millisecondes, soit plus de 20 fois plus longue que la durée de vie du monopôle. Cela amène les chercheurs à être optimistes quant au fait que les expériences futures révéleront des propriétés encore plus particulières des anneaux Alice.
« De loin, l’anneau d’Alice ressemble à un monopôle, mais le monde prend une forme différente lorsqu’on regarde à travers le centre de l’anneau », a déclaré Hall.
« C’est dans cette perspective que tout semble se refléter, comme si l’anneau était une porte d’entrée vers un monde d’antimatière plutôt que de matière », a ajouté Möttönen.
En théorie, un monopôle passant par le centre d’un anneau d’Alice se transformerait en un anti-monopole de charge opposée. En conséquence, la charge de l’anneau Alice changerait également. Bien que ce phénomène n’ait pas encore été observé expérimentalement, Möttönen a déclaré que la structure topologique des anneaux d’Alice nécessite ce comportement.
Efforts de recherche collaborative
Le travail expérimental a été mené au Amherst College principalement par la doctorante Alina Blinova et Hall, tandis que Möttönen et son équipe étaient responsables de l’exécution des simulations d’appariement. Les deux équipes ont ainsi pu confirmer l’interprétation des observations expérimentales.
« C’est tout simplement incroyable d’avoir une découverte aussi majeure comme conclusion de mon travail de doctorat », a déclaré Blinova.
Les simulations menées à l’Université Aalto ont été rendues possibles grâce au soutien du CSC – IT Center for Science et du Conseil finlandais de la recherche par l’intermédiaire de son Centre d’excellence en technologie quantique, et les expériences aux États-Unis grâce au soutien financier de la National Science Foundation.
