Un « rond-point » atomique pour résoudre les problèmes de la gravitation dans la cosmologie


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  • Un papier de physique théorique suggère une expérience pour créer une sorte de « rond-point » composé d’atomes pour mesurer la gravitation et résoudre potentiellement les problèmes gravitationnels qui se produisent dans les hypothèses de l’accélération de l’expansion de l’univers.


    Un papier de physique théorique suggère une expérience pour créer une sorte de "rond-point" composé d'atomes pour mesurer la gravitation et résoudre potentiellement les problèmes gravitationnels qui se produisent dans les hypothèses de l'accélération de l'expansion de l'univers.
    Cette illustration imagine un anneau d'atomes comme des voitures sur un périphérique. Capturés et lancés en mouvement par des lasers, les atomes formeraient une superposition. Cet état permettrait de mesurer précisément le mouvement et même la gravitation à des échelles du micromètre - Crédit : Hanacek / NIST

    Quand est-ce qu’un embouteillage cesse d’être un embouteillage ? Et bien, quand vous le transformez en « embouteillage quantique ». Au niveau de l’infiniment petit, vous pouvez avoir un embouteillage à l’arrêt et qui bouge en même temps. Un nouveau papier théorique par des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’université du Maryland suggère qu’on pourrait créer cet embouteillage quantique à partir d’un anneau de milliers d’atomes ultra-froids pour mesurer précisément le mouvement.1 Si on réussit l’expérience, les atomes pourraient fournir une mesure de la gravitation à une distance de 10 micromètres.

    Les auteurs préviennent de la difficulté technique de l’expérience, mais les résultats permettraient de mieux comprendre la force gravitationnelle sur de courtes distances. Les anomalies pourraient fournir des indices sur le comportement de la gravitation incluant l’accélération de l’expansion de l’univers. En plus de répondre à des questions fondamentales, ces anneaux d’atomes pourraient avoir des applications pratiques. On pourrait les utiliser pour créer des capteurs de mouvement très précis ou servir de Switchs dans les ordinateurs quantiques avec le 0 qui serait représenté par un embouteillage et le 1 par le mouvement des atomes.

    Ces 2 dernières décennies, les physiciens ont exploré un état exotique de la matière connu comme le condensat de Bose-Einstein (CBE) qui existe lorsque des atomes se chevauchent à des températures très basses (on parle de quelques degrés au dessus du zéro absolu). Dans ces conditions, un petit nuage d’atomes devient un seul « superatome » quantique. Ce superatome permet aux scientifiques d’explorer des propriétés telles que la supraconductivité ou la superfluidité.

    Stephen Ragole et Jake Taylor, les auteurs de ce papier, suggèrent qu’une variation du CBE pourrait servir pour analyser la rotation et explorer la gravitation sur de courtes distances. À ces échelles, des forces comme l’électromagnétisme surpassent largement celles de la gravitation. L’idée est d’utiliser des rayons laser, qu’on utilise déjà pour manipuler les atomes froids, pour lier quelques milliers d’atomes dans un anneau d’un diamètre de 10 à 20 micromètres.

    Une fois que l’anneau est formé, les lasers vont déclencher doucement son mouvement. Le résultat est que les atomes vont circuler comme des voitures comme dans un rond-point à un seul sens. Et de la même manière que les roues des voitures tournent lorsqu’elles roulent sur le goudron, les propriétés des atomes vont capturer l’influence du monde qui les entoure incluant les effets de la gravitation provenant des masses à quelques micromètres.

    L’anneau va utiliser le concept de la superposition qui est l’une des principales propriétés de la mécanique quantique. Dans cet état, les atomes seront à l’arrêt et en circulation en même temps. Cette superposition d’arrêt et de mouvement permettrait de maintenir les relations entre les atomes de l’anneau pendant quelques millisecondes lorsqu’on arrête le laser. Et c’est suffisant pour mesurer leurs propriétés.

    Cette expérience d’embouteillage quantique pourrait résoudre le défi de la mesure de la gravitation à des niveaux extrêmes de l’infiniment petit, mais elle pourrait aussi donner des indices pour infirmer quelques hypothèses sur l’univers. L’un des plus grands mystères du cosmos est son expansion à un niveau d’accélération donnée. Les physiciens suggèrent qu’une force répulsive, connue comme l’énergie noire, provoque cette expansion, mais on ignore tout de cette force. Une hypothèse suggère que dans le vide de l’espace-temps, des particules virtuelles apparaissent et se neutralisent constamment et leur répulsion mutuelle crée les effets de l’énergie noire. Même si c’est une explication possible à certains niveaux, les physiciens ont calculé que si c’est le cas, alors ces particules produiraient une forte tellement répulsive qu’elle « déchirerait » immédiatement l’univers au niveau atomique. Il faut réconcilier cette idée de particule virtuelle avec une observation.

    Une possibilité est que la structure élémentaire de l’espace-temps réagit uniquement à des particules virtuelles qui sont distantes de quelques micromètres selon Taylor et c’est cette séparation qu’on peut explorer avec cet anneau d’atomes froids. Si vous observez que les effets de ces particules ’ont aucune incidence sur de courtes distances, alors vous prenez en compte ce paramètre pour analyser l’énergie noire. Les effets seraient bien présents, mais ils n’auraient aucun impact à l’échelle cosmologique.

    Sources

    1.
    Ragole S, Taylor JM. Interacting Atomic Interferometry for Rotation Sensing Approaching the Heisenberg Limit. Physical Review Letters. 2016;117(20). doi: 10.1103/physrevlett.117.203002
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    Jacqueline Charpentier

    Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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