Percée en physique des neutrons —


  • FrançaisFrançais



  • Les particules peuvent se déplacer sous forme d’ondes le long de différents chemins en même temps – c’est l’une des découvertes les plus importantes de la physique quantique. Un exemple particulièrement impressionnant est l’interféromètre à neutrons : des neutrons sont projetés sur un cristal, l’onde neutronique est divisée en deux parties, qui se superposent ensuite à nouveau. Des motifs d’interférence caractéristiques peuvent être observés, ce qui prouve les propriétés ondulatoires de la matière.

    Ces interféromètres à neutrons ont joué un rôle important pour les mesures de précision et la recherche fondamentale en physique pendant des décennies. Cependant, leur taille a été limitée jusqu’à présent car ils ne fonctionnaient que s’ils étaient taillés dans un seul morceau de cristal. Depuis les années 1990, des tentatives ont également été faites pour produire des interféromètres à partir de deux cristaux distincts, mais sans succès. Aujourd’hui, une équipe de la TU Wien, de l’INRIM Turin et de l’ILL Grenoble a réalisé précisément cet exploit, en utilisant une plate-forme tip-tilt de haute précision pour l’alignement des cristaux. Cela ouvre des possibilités complètement nouvelles pour les mesures quantiques, y compris la recherche sur les effets quantiques dans un champ gravitationnel.

    La première étape en 1974

    L’histoire de l’interférométrie neutronique a commencé en 1974 à Vienne. Helmut Rauch, pendant de nombreuses années professeur à l’Institut atomique de la TU Wien, a créé le premier interféromètre à neutrons à partir d’un cristal de silicium et a pu observer la première interférence de neutrons au réacteur TRIGA de Vienne. Quelques années plus tard, la TU Wien installe une station permanente d’interférométrie, la S18, à la source de neutrons la plus puissante du monde, l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Cette configuration est opérationnelle jusqu’à nos jours.

    « Le principe de l’interféromètre est similaire à la célèbre expérience à double fente, dans laquelle une particule est projetée sur une double fente à la manière d’une onde, traverse les deux fentes simultanément sous forme d’onde, puis se superpose à elle-même, de sorte qu’après un motif d’onde caractéristique est créé au niveau du détecteur », explique Hartmut Lemmel (TU Wien).

    Mais alors que dans l’expérience à double fente, les deux fentes ne sont qu’à une distance minimale, dans l’interféromètre à neutrons, les particules sont divisées en deux chemins différents avec plusieurs centimètres entre eux. L’onde particulaire atteint une taille macroscopique — néanmoins, en superposant les deux chemins, on crée un motif d’onde qui prouve clairement : La particule n’a pas choisi l’un des deux chemins, elle a utilisé les deux chemins simultanément.

    Toute imprécision peut détruire le résultat

    Les superpositions quantiques dans un interféromètre à neutrons sont extrêmement fragiles. « De minuscules imprécisions, vibrations, déplacements ou rotations du cristal détruisent l’effet », explique Hartmut Lemmel. « C’est pourquoi vous fraisez généralement l’interféromètre entier à partir d’un seul cristal. » Dans un cristal, tous les atomes sont connectés les uns aux autres et ont une relation spatiale fixe les uns avec les autres, ce qui vous permet de minimiser l’influence des perturbations externes sur l’onde neutronique.

    Mais cette conception monolithique limite les possibilités, car les cristaux ne peuvent être fabriqués dans aucune taille. « Dans les années 1990, on a donc essayé de créer des interféromètres à neutrons à partir de deux cristaux qui pourraient ensuite être positionnés à une plus grande distance l’un de l’autre », explique Lemmel, « mais cela n’a pas réussi. L’alignement des deux cristaux l’un contre l’autre n’a pas n’atteint pas la précision requise. »

    Exigences extrêmes en matière de précision

    Les exigences en matière de précision sont extrêmes. Lorsqu’un cristal de l’interféromètre est déplacé d’un seul atome, le motif d’interférence se décale d’une période complète. Si l’un des cristaux est tourné d’un angle de l’ordre d’un cent millionième de degré, la figure d’interférence est détruite. La précision angulaire requise correspond à peu près au tir d’une particule de Vienne à Grenoble et visant une tête d’épingle, distante de 900 kilomètres – ou visant un couvercle de drain sur la Lune.

    L’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) de Turin a fourni les technologies nécessaires, qu’il avait développées au fil des décennies dans le domaine de l’interférométrie combinée optique et à rayons X. Les interféromètres à rayons X à balayage sont également constitués de cristaux de silicium séparés et sont tout aussi sensibles. La sensibilité au déplacement spatial d’un cristal a été utilisée à Turin pour déterminer la constante de réseau du silicium avec une précision sans précédent. Ce résultat a permis de compter les atomes d’une sphère de silicium macroscopique, de déterminer les constantes d’Avogadro et de Planck et de redéfinir le kilogramme.

    « Bien que la précision requise soit encore plus sévère pour les neutrons, ce qui a fonctionné avec des interféromètres à rayons X à cristal séparés devrait également fonctionner avec des interféromètres à neutrons à cristal séparés », déclare Enrico Massa de l’INRIM. Avec un interféromètre laser intégré supplémentaire, un amortissement des vibrations, une stabilisation de la température et la supervision par l’INRIM de l’assemblage et de l’alignement des cristaux, la collaboration a finalement réussi à détecter les interférences neutroniques dans un système de deux cristaux séparés.

    Important pour la recherche fondamentale

    « C’est une avancée importante pour l’interférométrie neutronique » déclare Michael Jentschel de l’ILL. « Parce que si vous pouvez contrôler suffisamment bien deux cristaux pour que l’interférométrie soit possible, vous pouvez également augmenter la distance et étendre la taille du système global assez facilement. »

    Pour de nombreuses expériences, cette taille totale détermine la précision qui peut être obtenue dans la mesure. Il deviendra possible d’étudier les interactions fondamentales avec une précision sans précédent — par exemple, la sensibilité des neutrons à la gravité dans le régime quantique et à de nouvelles forces hypothétiques.

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
    Loading...
    mm

    La Rédaction

    L'équipe rédactionnelle

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.