Parmi les différents phénomènes rencontrés en mécanique quantique, le principe de superposition est l’un des plus fascinants. Tant qu’il n’est pas mesuré, un système quantique est en état de superposition, c’est-à-dire qu’il possède plusieurs états quantiques simultanés, jusqu’à ce qu’il soit observé et qu’un état soit finalement fixé. Ce principe a été rendu célèbre par l’expérience de pensée du chat de Schrödinger. La superposition quantique a pu être confirmée de nombreuses fois en laboratoire pour des systèmes quantiques extrêmement petits (particules individuelles, atomes et petites molécules). Cependant, pour la première fois, des physiciens l’ont observé pour des molécules massives contenant 2000 atomes. 

L’expérience permet aux physiciens d’affiner les hypothèses de la mécanique quantique et de mieux comprendre le seuil de basculement entre mécanique quantique et physique classique. « Nos résultats montrent un excellent accord avec la théorie quantique et ne peuvent pas être expliqués de manière classique » déclarent les chercheurs dans un article publié dans la revue Nature Physics.

Pour tester cela, les physiciens ont mis en place une expérience à double fente. Traditionnellement, elle consiste à projeter des photons à travers deux fentes. Si les photons agissaient simplement comme des particules, la projection résultante de l’autre côté ne ferait que montrer une bande. Mais en réalité, les photons projetés de l’autre côté présentent un motif d’interférence — de multiples bandes qui interagissent, montrant que les particules peuvent également agir comme des ondes.

Des molécules massives composées de 2000 atomes en état de superposition quantique

De la même manière que le célèbre chat de Schrödinger, les photons peuvent être en état de superposition, c’est-à-dire présenter plusieurs états quantiques de manière simultanée. Cependant, dès qu’une mesure est effectuée, cette superposition disparaît et l’état du photon mesuré est fixé. Cette même expérience à double fente a été réalisée avec des électrons, des atomes et des molécules plus petites. Et maintenant, les physiciens montrent que cela s’applique aussi aux molécules massives.

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protocole superposition

(A) Protocole expérimental utilisé par les chercheurs, et (B) Structure et masses des molécules utilisées. Crédits : Yaakov Y. Fein et al. 2019

Dans cette expérience, l’équipe a pu utiliser des molécules massives, composées de 2000 atomes au maximum, pour créer des motifs d’interférence quantique, comme si elles se comportaient comme des ondes et étaient en état de superposition. Les molécules, appelées « oligo-tétraphénylporphyrines enrichies en chaînes de fluoroalkylsulfanyle », avaient plus de 25’000 fois la masse d’un atome d’hydrogène.

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Mais à mesure que les molécules grossissent, elles deviennent moins stables et les physiciens ne peuvent les faire interférer que pendant sept millisecondes à la fois, en utilisant un équipement nouvellement conçu, appelé interféromètre onde-matière (conçu pour mesurer les atomes selon différentes trajectoires). Même des facteurs tels que la rotation et l’attraction gravitationnelle de la Terre devaient être pris en compte.

Comme la mécanique quantique entre traditionnellement en jeu à très petite échelle et la physique classique à grande échelle, plus les molécules utilisées dans l’expérience à double fente sont massives, plus les physiciens peuvent contraindre la ligne de démarcation quantique-classique. Un précédent record pour ce type d’étude impliquait des molécules d’une taille allant jusqu’à 800 atomes.

Sources : Nature Physics

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