Dans une première quantique, les physiciens ont placé 2 000 atomes à deux endroits à la fois

Vous connaissez peut-être l’expérience de la pensée du chat de Schrödinger, où le félin éponyme dans une boîte peut être à la fois vivant et mort, souvent utilisée pour illustrer le paradoxe multi-états de la mécanique quantique.

Eh bien, maintenant, les scientifiques ont réussi à appliquer cette théorie à d’énormes molécules composées de 2 000 atomes.

La superposition quantique a été testée d’innombrables fois sur des systèmes plus petits, les physiciens ayant démontré avec succès que les particules individuelles peuvent se trouver à deux endroits à la fois. Mais ce type d’expérience n’a jamais été réalisé à cette échelle auparavant.

L’expérience permet aux scientifiques d’affiner les hypothèses de la mécanique quantique et de mieux comprendre le fonctionnement réel de cette branche de la physique, particulièrement bouleversante, et comment les lois de la mécanique quantique s’allient aux lois classiques de la physique, plus traditionnelles et à grande échelle.

“Nos résultats montrent une excellente concordance avec la théorie quantique et ne peuvent être expliqués de façon classique”, déclarent les chercheurs dans leur article publié.

En particulier, la nouvelle étude fait appel à l’équation de Schrödinger (oui, lui encore une fois), qui décrit comment même des particules simples peuvent également agir comme des ondes à plusieurs endroits à la fois, interférant les unes avec les autres tout comme des ondulations sur un étang.

Pour le tester, les scientifiques ont mis au point une expérience à double fente – une expérience très familière aux physiciens quantiques.

Traditionnellement, il s’agit de projeter des particules individuelles de lumière (photons) à travers deux fentes. Si les photons agissaient simplement comme des particules, la projection de lumière résultante de l’autre côté montrerait simplement une bande. Mais en réalité, la lumière projetée de l’autre côté montre un modèle d’interférence – de multiples bandes qui interagissent, montrant que les particules de lumière peuvent aussi agir comme des ondes.

(Johannes Kalliauer/Wikimedia, CC-BY-SA 3.0)

Il semble effectivement que les photons se trouvent à deux endroits à la fois, tout comme le chat de Schrödinger. Mais comme la plupart d’entre nous le savent, le chat est seulement dans deux états lorsqu’il n’est pas observé. Dès que la boîte est ouverte, il est confirmé comme soit vivant soit mort, pas les deux.

C’est la même chose avec les photons. Dès que la lumière est mesurée ou observée directement, cette superposition disparaît et l’état du photon est verrouillé. C’est l’une des énigmes au cœur de la mécanique quantique.

Cette même expérience de double fente a été faite avec des électrons, des atomes et des molécules plus petites. Et maintenant, les physiciens montrent qu’elle s’applique aussi aux molécules massives.

Dans cette expérience à double fente, l’équipe a été en mesure d’utiliser ces molécules lourdes, composées de jusqu’à 2 000 atomes, pour créer des modèles d’interférence quantique, comme si elles se comportaient comme des ondes et étaient dans plus d’un endroit.

Les molécules étaient connues sous le nom d’“oligo-tétraphénylporphyrines enrichies de chaînes fluoroalkylsulfanyles”, et certaines avaient une masse plus de 25 000 fois supérieure à celle d’un atome d’hydrogène.

Mais à mesure que les molécules grossissent, elles deviennent moins stables et les scientifiques n’ont pu les faire interférer que pendant sept millisecondes à la fois, à l’aide d’un nouvel équipement appelé interféromètre à ondes de matière (conçu pour mesurer les atomes sur différents trajets).

Même des facteurs comme la rotation de la Terre et l’attraction gravitationnelle ont dû être pris en compte. L’effort en valait la peine – nous savons maintenant que ces molécules géantes peuvent se trouver à deux endroits à la fois, ainsi que des atomes beaucoup plus petits.

Comme la mécanique quantique entre traditionnellement en jeu à très petite échelle, et la physique classique à grande échelle, plus les molécules que nous pouvons obtenir en travaillant avec l’expérience à double fente sont grosses, plus nous nous rapprochons de cette limite quantique classique. Un précédent record pour ce type d’étude impliquait des molécules d’une taille allant jusqu’à 800 atomes.

“Nos expériences montrent que la mécanique quantique, avec toutes ses bizarreries, est aussi étonnamment robuste, et j’ai bon espoir que les expériences futures la testeront à une échelle encore plus grande”, dit le physicien Yaakov Fein, de l’Université de Vienne en Autriche.

La recherche a été publiée dans Nature Physics.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche