Des chercheurs français dévoilent l’image la plus nette jamais réalisée d’atomes individuels se comportant comme des ondes quantiques, comme prédit par l’équation de Schrödinger. Régissant une grande partie de la mécanique quantique, l’expérience constitue une percée majeure dans le domaine et permettrait d’explorer plus avant les comportements quantiques exotiques des atomes uniques.
La nature ondulatoire de la matière constitue l’un des aspects les plus fascinants de la mécanique quantique. Prédit dans les années 1920 par l’équation de Schrödinger, ce phénomène, appelé « dualité onde-corpuscule » (ou onde-particule), se traduit par le fait que les particules de matière peuvent se comporter à la fois comme des particules et des ondes. Cette double caractéristique a été initialement proposée par le physicien Louis de Broglie, avec la théorie des ondes électroniques, qui fusionne les deux concepts.
Ces théories ont été confirmées au cours des décennies suivantes par plusieurs expériences marquantes, telles que l’observation de la diffraction électronique. Cette dernière consiste à bombarder d’électrons un échantillon et à observer le comportement de diffraction (le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle ou une ouverture) résultant.
Certaines ont également mis en évidence le comportement ondulatoire des particules massives (telles que les atomes et les molécules), qui peuvent notamment se transformer en « paquets d’ondes ». Il s’agit d’une propriété permettant à une particule de présenter plusieurs fréquences et longueurs d’onde combinées, lui conférant ainsi des propriétés quantiques uniques.
Une autre catégorie d’expériences a permis d’étudier la distribution spatiale de paquets d’ondes individuels. D’un autre côté, les récents progrès en matière d’imagerie quantique ont permis de capturer la fonction d’onde d’atomes individuels. De manière simplifiée, la fonction d’onde donne à toute particule les propriétés d’interférence typiques d’une onde et généralise la dualité onde-particule.
Des chercheurs de l’Université de Sorbonne et de Toulouse ont récemment capturé l’image in situ la plus nette jamais obtenue de paquets d’ondes d’atomes individuels, dans le cadre d’une expérience détaillée sur la plateforme de prépublication arXiv. Il s’agit d’une percée majeure reproduisant parfaitement les prédictions de l’équation de Schrödinger.
Une observation inédite confirmant l’équation de Schrödinger
Pour réaliser leur expérience, les chercheurs se sont appuyés sur des techniques de détection avancées pour capturer la transition des atomes individuels vers des états ondulatoires. Pour ce faire, la microscopie quantique des gaz a été utilisée pour imager la distribution des paquets d’ondes à mesure qu’ils se propagent dans un plan. La fonction d’onde est diffusée de manière contrôlée à travers un réseau optique (un réseau de lasers).
La technique a permis de capturer le comportement ondulatoire des atomes avec une résolution inédite. L’image capturée montre les atomes individuels qui se comportent comme des particules, sous forme de petits points. Lorsqu’ils se transforment en ondes, les points deviennent plus grands et plus étalés. « En faisant varier la propagation initiale de l’impulsion des paquets d’ondes d’un seul atome, nous observons une dynamique qui est en accord quantitatif avec la prédiction de l’équation de Schrödinger », expliquent les experts dans leur document.
Ces résultats pourraient avoir des implications significatives pour les futures recherches en mécanique quantique, en permettant d’explorer de façon plus détaillée le comportement des atomes individuels. En effet, selon les chercheurs de l’étude, leur protocole pourrait être appliqué à l’observation de la fonction d’onde dans un système à plusieurs corps. Les systèmes multicorps sont utilisés pour modéliser le comportement dynamique de corps rigides et/ou flexibles, connectés les uns aux autres par des liaisons mécaniques.
À terme, les recherches pourraient déboucher sur la découverte de nouvelles propriétés de la mécanique quantique, qui pourraient améliorer les performances en informatique quantique et en science des matériaux. Par ailleurs, l’observation in situ des comportements quantiques des atomes pourrait permettre de développer de nouvelles technologies de capteurs ultraperformants, reposant sur l’observation des états quantiques des particules.