On pourrait penser que la pince optique - un faisceau laser focalisé capable de piéger les petites particules - est désormais dépassée. Après tout, la pince à épiler a été inventée par Arthur Ashkin en 1970. Il a reçu le prix Nobel cette année, probablement après que ses principales implications aient été prises en compte au cours du dernier demi-siècle.
Étonnamment, c'est loin d'être vrai. La pince optique révèle de nouvelles capacités tout en aidant les scientifiques à comprendre la mécanique quantique, théorie qui explique la nature en termes de particules subatomiques.
Cette théorie a conduit à des conclusions étranges et contre-intuitives. L'un d'entre eux est que la mécanique quantique permet à un seul objet d'exister dans deux états de réalité différents en même temps. Par exemple, la physique quantique permet à un corps de se trouver simultanément à deux endroits différents dans l'espace - ou à la fois mort et vivant, comme dans la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger.
Les deux états du chat de Schrodinger: mort (à gauche) et vivant (à droite). La physique quantique dit que le chat peut exister simultanément dans les deux états. (Rhoeo / Shutterstock.com) Le nom technique de ce phénomène est superposition. Des superpositions ont été observées pour des objets minuscules tels que des atomes simples. Mais clairement, nous ne voyons jamais de superposition dans nos vies quotidiennes. Par exemple, nous ne voyons pas une tasse de café à deux endroits en même temps.
Pour expliquer cette observation, les physiciens théoriciens ont suggéré que, pour les objets volumineux, même pour les nanoparticules contenant environ un milliard d'atomes, les superpositions s'effondrent rapidement en l'une ou l'autre des deux possibilités, en raison de la défaillance de la mécanique quantique standard. Pour les objets plus volumineux, le taux d'effondrement est plus rapide. Pour le chat de Schrodinger, cet effondrement - "en vie" ou "mort" - serait pratiquement instantané, ce qui expliquerait pourquoi nous ne voyons jamais la superposition d'un chat dans deux états à la fois.
Jusqu'à récemment, ces «théories sur l'effondrement», qui nécessiteraient des modifications de la mécanique quantique des manuels scolaires, n'ont pas pu être testées, car il est difficile de préparer un objet volumineux dans une superposition. En effet, les plus gros objets interagissent davantage avec leur environnement que les atomes ou les particules subatomiques, ce qui entraîne des fuites de chaleur qui détruisent les états quantiques.
En tant que physiciens, nous nous intéressons aux théories sur l’effondrement, car nous voudrions mieux comprendre la physique quantique, et plus précisément parce qu’il existe des indications théoriques selon lesquelles cet effondrement pourrait être dû à des effets gravitationnels. Il serait intéressant de trouver un lien entre la physique quantique et la gravitation, car toute la physique repose sur ces deux théories, et leur description unifiée - la soi-disant théorie du tout - est l’un des grands objectifs de la science moderne.
Entrez la pince optique
Les pinces optiques exploitent le fait que la lumière peut exercer une pression sur la matière. Bien que la pression de rayonnement, même d'un faisceau laser intense, soit assez faible, Ashkin a été la première personne à montrer qu'elle était assez grosse pour supporter une nanoparticule, contrant ainsi la gravité et la faisant léviter.
En 2010, un groupe de chercheurs s'est rendu compte qu'une telle nanoparticule contenue dans une pince optique était bien isolée de son environnement, car elle n'était en contact avec aucun support matériel. Après ces idées, plusieurs groupes ont suggéré des moyens de créer et d’observer les superpositions d’une nanoparticule à deux emplacements spatiaux distincts.
Un schéma intrigant proposé par les groupes de Tongcang Li et Lu Ming Duan en 2013 impliquait un cristal de nanodiamant dans une pince à épiler. La nanoparticule ne reste pas immobile dans la pince à épiler. Au lieu de cela, il oscille comme un pendule entre deux endroits, la force de rappel provenant de la pression de rayonnement due au laser. En outre, ce nanocristal de diamant contient un atome d'azote contaminant, qui peut être considéré comme un petit aimant, avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S).
La stratégie de Li-Duan comportait trois étapes. Premièrement, ils ont proposé de refroidir le mouvement de la nanoparticule à son état quantique fondamental. C'est l'état d'énergie le plus bas que puisse avoir ce type de particule. Nous pourrions nous attendre à ce que dans cet état, la particule cesse de se déplacer et n'oscille pas du tout. Cependant, si cela se produisait, nous saurions où se trouvait la particule (au centre de la pince à épiler) et à quelle vitesse elle se déplaçait (pas du tout). Mais le fameux principe d'incertitude de Heisenberg de la physique quantique ne permet pas une connaissance parfaite simultanée de la position et de la vitesse. Ainsi, même dans son état énergétique le plus bas, la particule se déplace un peu, juste assez pour satisfaire les lois de la mécanique quantique.
Deuxièmement, le schéma de Li et Duan exigeait que l'atome d'azote magnétique soit préparé dans une superposition de son pôle nord, orienté vers le haut et vers le bas.
Enfin, un champ magnétique était nécessaire pour relier l'atome d'azote au mouvement du cristal de diamant lévité. Cela transférerait la superposition magnétique de l'atome à la superposition de localisation du nanocristal. Ce transfert est rendu possible par le fait que l’atome et la nanoparticule sont enchevêtrés dans le champ magnétique. Il se produit de la même manière que la superposition de l'échantillon radioactif décomposé et non décomposé est convertie en superposition du chat de Schrodinger dans des états morts et vivants.
Prouver la théorie de l'effondrement
Effondrement de la superposition en un seul endroit. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Ce qui donne à ce travail théorique des dents, ce sont deux développements expérimentaux passionnants. Déjà en 2012, les groupes de Lukas Novotny et Romain Quidant avaient montré qu'il était possible de refroidir une nanoparticule à lévitation optique jusqu'à un centième de degré au-dessus du zéro absolu - la température la plus basse théoriquement possible - en modulant l'intensité de la pince optique. L'effet était le même que celui de ralentir un enfant sur une balançoire en le poussant au bon moment.
En 2016, les mêmes chercheurs ont réussi à se refroidir d'un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu. Vers cette époque, nos groupes ont publié un document établissant que la température requise pour atteindre l'état fondamental quantique d'une nanoparticule pincée était d'environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Cette exigence est difficile, mais à la portée des expériences en cours.
Le deuxième développement intéressant a été la lévitation expérimentale d'un nanodiamant portant des défauts d'azote en 2014 dans le groupe de Nick Vamivakas. En utilisant un champ magnétique, ils ont également pu réaliser le couplage physique de l'atome d'azote et le mouvement cristallin requis par la troisième étape du schéma Li-Duan.
La course est maintenant lancée pour atteindre l'état fondamental. Ainsi, selon le plan de Li-Duan, un objet situé à deux endroits peut être observé en train de s'effondrer en une seule entité. Si les superpositions sont détruites au rythme prédit par les théories de l'effondrement, la mécanique quantique telle que nous la connaissons devra être révisée.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, professeur associé à l'école d'astronomie de l'Institut de technologie de Rochester et Nick Vamivakas, professeur associé d'optique quantique et de physique quantique à l'Université de Rochester
