Pourquoi les physiciens du MIT affirment qu’ils viennent de faire une « percée » en mécanique quantique ?
Le passage de la physique classique à la physique quantique a été réalisé.
Atomes sous la forme d’une structure classique en aiguille à gauche et d’une série de “tornades quantiques” à droite. MIT
Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology ont annoncé une percée dans leurs recherches sur la physique quantique.
Selon une étude publiée le mois dernier dans la revue Nature, ils ont observé le moment où des atomes ultrafroids changent de place entre eux. L’étude menée par l’équipe du MIT a découvert que le mouvement de changement d’emplacement a conduit à la formation de ce qu’on appelle des “tornades quantiques”.
Pour réaliser la nature impressionnante de cette découverte, il faut se rappeler que deux lois de la physique régissent l’univers : la physique classique et la physique quantique. La physique classique régit nos mouvements, notre rythme et notre localisation, tous basés sur la loi selon laquelle nous ne pouvons être qu’à un seul endroit à un moment donné. En revanche, en physique quantique, les particules peuvent exister en de nombreux endroits simultanément. Ces particules peuvent traverser des obstacles et communiquer immédiatement des informations sur de grandes distances.
“Cette évolution est liée à l’idée de la façon dont un papillon en Chine peut créer une tempête ici, en raison des instabilités qui déclenchent des turbulences”, explique Martin Zwierlein, l’un des auteurs de l’article de recherche. “Ici, nous avons une météo quantique : Le fluide, du seul fait de ses instabilités quantiques, se fragmente en cette structure cristalline de petits nuages et tourbillons. Et c’est une percée que de pouvoir observer directement ces effets quantiques.”
Zwierlein, le professeur de physique Thomas A. Frank au MIT, dit ceci : “Mon message aux jeunes physiciens est de toujours être curieux de ce que vous voyez. Essayez de le comprendre, et ne pensez pas que c’est trop difficile.”
Tornades quantiques : comment elles sont créées
Au cours du processus de rotation, le nuage rond d’atomes est placé dans un piège électromagnétique et finit par se transformer en une structure fine, semblable à une aiguille. Ensuite, l’aiguille se divise en une structure cristalline, ressemblant à une chaîne de petits cyclones quantiques, au moment où la physique classique est inhibée, ne laissant que les interactions et les règles quantiques pour diriger l’activité des atomes.
Il est intéressant de noter que le processus de rotation rapide du gaz quantique est assez similaire à la rotation de la Terre, et que la rotation du fluide m quantique des atomes ultrafroids donne lieu à des “tornades quantiques”.
Richard Fletcher, professeur adjoint de physique au MIT et auteur de l’article, explique dans une déclaration que “la cristallisation est pilotée purement par des interactions, et nous indique que nous passons du monde classique au monde quantique”. Ce passage est significatif puisque certaines choses qui semblent impossibles à notre compréhension quotidienne du monde pourraient être parfaitement possibles en physique quantique.
Comment cette découverte peut être utilisée – Cette recherche a un certain potentiel pour des applications pratiques, comme les capteurs inertiels de la navigation sous-marine. Les sous-marins utilisent des gyroscopes à fibre optique afin de détecter les mouvements de rotation lorsqu’ils sont immergés, ce qui produit un motif d’interférence révélateur. Étant donné que les atomes se déplacent plus lentement que la lumière, un capteur à tornade quantique pourrait même être assez sensible pour mesurer de très légers changements dans la rotation de la Terre.
Résumé de l’étude tiré de la revue Nature :
La prédominance des interactions sur l’énergie cinétique est au cœur de la matière quantique fortement corrélée, des liquides de Hall quantiques fractionnaires aux atomes des réseaux optiques et au graphène bicouche torsadé. Les phases cristallines sont souvent en concurrence avec les liquides quantiques corrélés, et les transitions entre elles se produisent lorsque le coût énergétique de la formation d’une onde de densité approche de zéro. Un excellent exemple est celui des électrons dans des champs magnétiques puissants, où l’instabilité des liquides de Hall quantiques vers un cristal de Wigner est annoncée par un adoucissement des modulations de densité à la longueur magnétique, à la manière d’un roton. De façon remarquable, les bosons en interaction dans un champ de jauge devraient également former des états liquides et cristallins analogues. Cependant, la combinaison des interactions avec de forts champs magnétiques synthétiques a été un défi pour les expériences sur les gaz quantiques bosoniques. Nous étudions ici la dynamique purement guidée par l’interaction d’un condensat de Bose-Einstein de jauge de Landau dans et près du niveau de Landau le plus bas. Nous observons une cristallisation spontanée conduite par la condensation de magnéto-rotons, excitations visibles comme modulations de densité à la longueur magnétique. En augmentant la densité du nuage, on relie ce comportement à une version quantique de l’instabilité hydrodynamique de Kelvin-Helmholtz, pilotée par le profil d’écoulement interne cisaillé du condensat en rotation rapide. Aux temps longs, le condensat s’auto-organise en un réseau persistant de gouttelettes séparées par des rues de vortex, qui sont stabilisées par un équilibre d’interactions et de forces magnétiques effectives.
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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche
