Les physiciens apportent un effet autrefois théorique de la matière quantique dans la réalité observable
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Les physiciens de l’UC Santa Barbara sont devenus les premiers à observer expérimentalement un comportement bizarre du monde quantique : un effet de “boomerang quantique” qui se produit lorsque les particules d’un système désordonné sont expulsées de leur emplacement. Au lieu d’atterrir ailleurs comme on pourrait s’y attendre, ils font demi-tour et reviennent à leur point de départ et s’y arrêtent.
“C’est vraiment un effet mécanique fondamentalement quantique”, a déclaré le physicien atomique David Weld, dont le laboratoire a produit l’effet et l’a documenté dans un article publié dans Examen physique X. “Il n’y a pas d’explication classique à ce phénomène.”
L’effet boomerang a ses racines dans un phénomène que le physicien Philip Anderson a prédit il y a environ 60 ans, un comportement induit par un désordre appelé localisation d’Anderson qui inhibe le transport des électrons. Selon l’auteur principal de l’article, Roshan Sajjad, le désordre peut être le résultat d’imperfections dans le réseau atomique d’un matériau, qu’il s’agisse d’impuretés, de défauts, de désalignements ou d’autres perturbations.
“Ce type de désordre les empêchera de se disperser n’importe où”, a déclaré Sajjad. En conséquence, les électrons se localisent au lieu de glisser le long du réseau, transformant ce qui serait autrement un matériau conducteur en isolant. À partir de cette condition quantique plutôt collante, l’effet boomerang quantique a été prédit il y a quelques années.
Lancer des électrons désordonnés loin de leur position localisée et les suivre pour observer leur comportement est extrêmement difficile, voire actuellement impossible, mais le Weld Lab avait quelques tours dans son sac. En utilisant un gaz de 100 000 atomes de lithium ultrafroids suspendus dans une onde stationnaire de lumière et en les “coupant”, imitant un soi-disant rotor à coups de pied quantique (“similaire à un pendule à coups de pied périodiques”, ont déclaré Weld et Sajjad), les chercheurs ont pu pour créer le treillis et le désordre, et observer le lancement et le retour du boomerang. Ils ont travaillé dans l’espace d’impulsion, une méthode qui évite certaines difficultés expérimentales sans changer la physique sous-jacente de l’effet boomerang.
“Dans l’espace de position normal, si vous recherchez l’effet boomerang, vous donneriez à votre électron une vitesse finie, puis vous chercheriez s’il est revenu au même endroit”, a expliqué Sajjad. “Parce que nous sommes dans l’espace de l’élan, nous commençons avec un système qui est à l’élan moyen nul, et nous recherchons un départ suivi d’un retour à l’élan moyen nul.”
À l’aide de leur rotor à impulsion quantique, ils ont pulsé le réseau plusieurs dizaines de fois, notant un changement initial dans l’élan moyen. Au fil du temps et malgré des coups de pied répétés, cependant, l’élan moyen est revenu à zéro.
“C’est juste un comportement vraiment très fondamentalement différent”, a déclaré Weld. Dans un système classique, a-t-il expliqué, un rotor frappé de cette manière répondrait en absorbant constamment l’énergie des coups de pied. “Prenez une version quantique de la même chose, et ce que vous voyez, c’est qu’elle commence à gagner de l’énergie à court terme, mais à un moment donné, elle s’arrête et n’absorbe plus d’énergie. Cela devient ce qu’on appelle un état localisé dynamiquement.”
Ce comportement, a-t-il dit, est dû à la nature ondulatoire des systèmes quantiques.
“Ce morceau de matière que vous repoussez n’est pas seulement une particule, mais c’est aussi une onde, et c’est un concept central de la mécanique quantique”, a expliqué Weld. “En raison de cette nature ondulatoire, il est sujet à des interférences, et cette interférence dans ce système s’avère stabiliser un retour et une demeure à l’origine.” Dans leur expérience, les chercheurs ont montré que des coups de pied périodiques présentant une symétrie d’inversion du temps produiraient l’effet boomerang, mais que des coups de pied chronométrés au hasard détruiraient à la fois la symétrie et, par conséquent, l’effet boomerang.
Prochaine étape pour le Weld Lab : si les effets boomerang individuels sont cool, combien serait-ce plus une fête d’avoir plusieurs effets boomerang interactifs ?
“Il y a beaucoup de théories et de questions sur ce qui devrait arriver – les interactions détruiraient-elles le boomerang ? Y a-t-il des effets à plusieurs corps intéressants ?” dit Sajjad. “L’autre chose passionnante est que nous pouvons réellement utiliser le système pour étudier le boomerang dans des dimensions plus élevées.”
Les recherches sur ce projet ont également été menées par Jeremy L. Tanlimco, Hector Mas, Eber Nolasco-Martinez et Ethan Q. Simmons à l’UCSB ; Tommaso Macrì à l’Universidade Federal do Rio Grande do Norte et Patrizia Vignolo à l’Université Côte d’Azur.
