Des physiciens observent un « dialogue » quantique entre deux atomes

physiciens observent dialogue quantique entre atomes
| TU Delft/Scixel

La dynamique de la matière dépend directement des interactions entre atomes. Ces derniers « dialoguent » en permanence en s’échangeant de l’information quantique. Cela fait notamment intervenir le spin des atomes qui, quand ils sont couplés, permettent d’obtenir un système atomique dans lequel l’information quantique est partagée. Et récemment, des physiciens sont parvenus à observer cette communication quantique entre deux atomes. Un résultat qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies exploitant les bits quantiques.

À grande échelle, ce type d’échange d’informations entre atomes peut conduire à des phénomènes fascinants. Un exemple classique est la supraconductivité : l’effet dans lequel certains matériaux perdent toute résistivité électrique en dessous d’une température critique. Bien que correctement compris pour les cas les plus simples, personne ne sait exactement comment cet effet se produit dans de nombreux matériaux complexes. Mais il est certain que les interactions quantiques magnétiques jouent un rôle clé.

Dans le but d’essayer d’expliquer des phénomènes comme celui-ci, les physiciens sont très intéressés de pouvoir intercepter ces échanges. Dans l’équipe d’Alexander Otte (université de Delft), ils étudient cela assez directement : ils mettent littéralement deux atomes l’un à côté de l’autre pour voir ce qui se passe. Ceci est possible grâce à un microscope à effet tunnel : un dispositif dans lequel une aiguille peut sonder les atomes un par un et peut même les réorganiser.

Les chercheurs ont utilisé cet appareil pour placer deux atomes de titane à une distance d’un peu plus d’un nanomètre — un millionième de millimètre — l’un de l’autre. À cette distance, les atomes sont simplement capables de ressentir le spin de l’autre. Et si l’un des deux spins est réorienté, les interactions commencent.

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Une méthode inhabituelle

Habituellement, cette réorientation est effectuée en envoyant des signaux radio très précis aux atomes. Cette technique dite de résonance de spin — qui rappelle assez le principe de fonctionnement d’un scanner IRM — est utilisée avec succès dans la recherche sur les bits quantiques.

Cet outil est également disponible pour les auteurs, mais il présente un inconvénient. « C’est tout simplement trop lent. Vous arrivez à peine à commencer à réorienter l’un des spins avant que l’autre commence à tourner. De cette façon, vous ne pouvez jamais étudier ce qui se passe en plaçant les deux spins dans des directions opposées », déclare le physicien Lukas Veldman.

Les chercheurs ont donc essayé quelque chose de peu orthodoxe : ils ont rapidement inversé le spin de l’un des deux atomes avec un soudain sursaut de courant électrique. À leur grande surprise, cette approche drastique a abouti à une belle interaction quantique. Pendant l’impulsion, les électrons entrent en collision avec l’atome, provoquant la rotation de son spin.

« Mais nous avons toujours supposé que pendant ce processus, la délicate information quantique – la soi-disant cohérence – était perdue. Après tout, les électrons sont incohérents : l’histoire de chaque électron avant la collision est légèrement différente et ce chaos est transféré au spin de l’atome, détruisant toute cohérence », explique Otte.

Une superposition parfaite des atomes

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Le fait que cela ne semble pas être vrai après cette expérience a suscité un certain débat. Apparemment, chaque électron aléatoire, quel que soit son passé, peut initier une superposition cohérente : une combinaison spécifique d’états quantiques élémentaires qui est parfaitement connue et qui forme la base de presque toute forme de technologie quantique.

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Haut : résolution atomique d’un réseau de MgO sur lequel sont posés deux atomes couplés (bleu et vert). Bas : champs dipolaires des deux atomes émanant de chaque spin. © Lukas M. Veldman et al. 2021

« L’essentiel est que cela dépend de la question que vous posez. L’électron inverse le spin d’un atome en le faisant pointer, disons, vers la gauche. Vous pourriez voir cela comme une mesure, effaçant toute la mémoire quantique. Mais du point de vue du système combiné comprenant les deux atomes, la situation résultante n’est pas si banale », affirme Markus Ternes, de l’Université RWTH Aachen.

« Pour les deux atomes, le nouvel état constitue une superposition parfaite, permettant l’échange d’informations entre eux. Ce qui est crucial pour que cela se produise, c’est que les deux spins s’intriquent : un état quantique particulier dans lequel ils partagent davantage d’informations les uns sur les autres que ce qui est classiquement possible ».

Sources : arXiv

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