Un cristal quantique pourrait révéler l’identité de la matière noire

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Vue d'artiste montrant de la lumière et de la matière en enchevêtrement quantique. | IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Dans une expérience innovante, des chercheurs ont créé un cristal de béryllium capable de détecter des champs électromagnétiques extrêmement faibles. La matière noire serait entre autres constituée de particules hypothétiques appelées axions, et les chercheurs estiment que ces dernières pourraient un jour être détectées à l’aide de leur dispositif expérimental, qu’ils appellent « cristal quantique ».

En piégeant 150 particules (des ions) de béryllium chargées à l’aide d’un système d’électrodes et de champs magnétiques (pour surmonter leur répulsion naturelle), des chercheurs du JILA, un institut commun au National Institute of Standards and Technology et à l’Université du Colorado Boulder, sont parvenus à créer un cristal quantique aux propriétés uniques.

Lorsqu’Ana Maria Rey, physicienne atomique au JILA, et ses collègues, ont piégé les ions avec leur système de champs et d’électrodes, les atomes se sont assemblés en une feuille plate deux fois plus épaisse qu’un cheveu humain. Cet ensemble organisé ressemblait à un cristal qui, selon eux, vibrerait lorsqu’il serait perturbé par une force extérieure.

Contourner l’incertitude d’Heisenberg grâce à l’intrication quantique

« Lorsque vous excitez les atomes, ils ne bougent pas individuellement », explique Rey. « Ils bougent comme un tout ». Lorsque ce « cristal » de béryllium rencontre un champ électromagnétique, il bouge en réponse, et ce mouvement peut être traduit en une mesure de l’intensité du champ. Mais les mesures de tout système mécanique quantique sont soumises aux limites fixées par le principe d’incertitude d’Heisenberg, qui stipule que certaines propriétés d’une particule, telles que sa position et sa quantité de mouvement, ne peuvent être connues simultanément avec une grande précision.

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L’équipe a trouvé un moyen de contourner cette limite grâce à l’intrication quantique, où les attributs des particules quantiques sont intrinsèquement liés entre eux. « En utilisant l’intrication, nous pouvons détecter des choses qui ne sont pas possibles autrement », a déclaré Rey. Dans ce cas, elle et ses collègues ont enchevêtré les mouvements des ions de béryllium avec leurs spins. Il faut savoir que les systèmes quantiques ressemblent à de minuscules toupies et le spin décrit la direction (par exemple vers le haut ou vers le bas) dans laquelle ces « toupies » sont orientées.

Au cours de l’expérience, lorsque le cristal vibrait, il se déplaçait dans une certaine mesure. Mais en raison du principe d’incertitude, toute mesure de ce déplacement, ou de la quantité de mouvement des ions, serait soumise à des limites de précision et contiendrait du « bruit quantique », explique Rey. Pour mesurer le déplacement donc, « nous avons besoin d’un déplacement plus important que le bruit quantique », a-t-elle ajouté. Les détails de l’étude ont été publiés dans la revue Science.

L’intrication entre les mouvements des ions et leurs spins répartit ce bruit, le réduisant et permettant aux chercheurs de mesurer des fluctuations ultra-fines dans le cristal. Les chercheurs ont testé le système en y envoyant une faible onde électromagnétique et en l’observant vibrer.

Vers la détection des hypothétiques axions

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Le cristal conçu par l’équipe est déjà dix fois plus sensible à la détection de minuscules signaux électromagnétiques que les capteurs quantiques communs. Mais ils pensent qu’avec davantage d’ions béryllium, un détecteur encore plus sensible pourrait être obtenu, capable de distinguer des axions.

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L’axion est une particule hypothétique de matière noire ultralégère, dont la masse est égale à un millionième ou un milliardième de celle d’un électron. Certains modèles d’axion suggèrent qu’il pourrait se transformer en photon dans certaines circonstances, auquel cas il ne se situerait plus dans le domaine de la matière noire et produirait un faible champ électromagnétique. Si des axions traversaient un laboratoire contenant ce cristal de béryllium, il pourrait détecter leur présence.

« Je pense que c’est un beau résultat et une expérience impressionnante », a déclaré Daniel Carney, physicien théoricien au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, qui n’a pas participé à la recherche. En plus de contribuer à l’étude de la matière noire, Carney pense que ces travaux pourraient trouver de nombreuses applications, comme la recherche de champs électromagnétiques parasites dans un laboratoire ou la détection de défauts dans un matériau.

Source : Science

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