Des percées technologiques modernes telles que les lasers, les scanners IRM, les semi-conducteurs et les ordinateurs quantiques reposent sur l’étude de la mécanique quantique. Cependant, ce domaine s’est principalement concentré sur des phénomènes (sub)atomiques très éloignés de nos sens humains.
Il s’est révélé difficile de démontrer des phénomènes quantiques dans des objets suffisamment massifs pour être sensiblement influencés par la gravité, car il est bien plus difficile d’isoler les grands objets des facteurs environnementaux, tels que la chaleur et les vibrations, que ne le sont les particules nanoscopiques.
Mais désormais, des chercheurs de l’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) sont parvenus à déplacer un diamant en lévitation d’un centimètre de large en utilisant uniquement la force générée par le spin des électrons — c’est la première fois qu’un effet quantique est observé en train de manipuler directement un objet soumis à la gravité.
Publiés aujourd’hui dans Science Advances, leurs résultats établissent une nouvelle référence pour l’étude de la frontière entre la physique classique et la physique quantique, annonçant d’excitantes incursions dans la nature fondamentale de notre univers ainsi qu’une nouvelle classe de capteurs extrêmement précis pour détecter la matière noire, les ondes gravitationnelles et d’autres phénomènes exotiques.
Le professeur Jason Twamley, de l’unité Quantum Machines de l’OIST, explique : « De nombreux efforts ont été déployés pour tester si la mécanique quantique s’applique à quoi que ce soit de plus grand que quelques dizaines de nanomètres, jusqu’ici sans succès. Désormais, nous avons observé une réponse mécanique classique à une force quantique sur un objet huit à neuf ordres de grandeur plus massif que les expériences spin-mécaniques de pointe actuelles. »
Unifier la physique avec des aimants, un diamant impur et un peu de graphite
La physique classique et la physique quantique sont depuis longtemps divisées sur les questions d’échelle. La gravité est centrale dans la théorie de la relativité générale en physique classique, mais ses effets sont extrêmement faibles à l’échelle nanométrique, où des phénomènes quantiques ont été observés. Inversement, la superposition positionnelle — le phénomène par lequel une particule existe simultanément à des endroits nettement différents jusqu’à ce qu’elle soit mesurée — n’a été démontrée expérimentalement qu’au niveau microscopique.
« Pour tester la nature quantique de la gravité, il nous faut au final placer en superposition quantique des objets dont la masse est suffisamment grande. Et ces objets doivent être mis en lévitation dans le vide afin de minimiser l’influence du bruit environnemental », explique le premier auteur Anshuman Nayak, doctorant au sein de l’unité. « L’approche typique a consisté à partir d’objets en lévitation extrêmement petits et à augmenter progressivement leur masse jusqu’à ce que les effets de la gravité deviennent pertinents. Mais faire léviter des objets à l’échelle macroscopique au moyen de techniques conventionnelles, telles que les pièges optiques, s’est révélé extrêmement difficile. C’est pourquoi nous sommes dans le camp opposé — aller du grand vers le petit. Tout comme la lévitation diamagnétique peut soulever des trains à sustentation magnétique, elle peut également être utilisée pour faire léviter des objets d’un centimètre de large contenant des diamants, où l’effet de la gravité peut être extrêmement fort, mais où des effets quantiques n’ont pas été observés. »
La clé consistait à combiner des dispositifs plus petits, récemment démontrés expérimentalement et créés par la même équipe : une plaque de graphite en lévitation diamagnétique munie d’un miroir, reliée par une tige de carbone qui traverse un blindage magnétique à un diamant suspendu au-dessus d’un aimant. Ce diamant compte des milliards de centres dits « azote-lacune » (NV), qui piègent des électrons non appariés et agissent comme de minuscules aimants quantiques contrôlables grâce à leur force de spin quantique. Éclairer périodiquement le diamant avec un laser vert polarise ces centres dans un état de spin prédéfini, générant d’infimes fluctuations magnétiques qui poussent le diamant vers le bas. Les chercheurs ont suivi ce mouvement à l’aide d’un interféromètre qui réfléchit un laser sur le petit miroir de la plaque de graphite pour mesurer les changements de distance avec une précision picométrique.
« Les diamants NV sont bien compris et faciles à contrôler. Cela, ainsi que le fait que les centres NV possèdent certains des temps de cohérence connus les plus longs, leur permettant de maintenir une superposition quantique à température ambiante bien plus longtemps que d’autres systèmes, les rend particulièrement attractifs pour générer une superposition macroscopique du mouvement ou de l’objet dans de futures recherches », ajoute le co-auteur Daehee Kim, doctorant au sein de l’unité.
Des particules théoriques aux chats expérimentaux
Einstein s’est débattu avec la mécanique quantique durant les dernières décennies de sa vie. Non pas parce qu’elle est difficile, mais parce qu’elle pose une série de questions jusqu’ici sans réponse sur la relativité générale. La gravité est-elle quantique ou entièrement classique ? Qu’advient-il de l’information au centre d’un trou noir ? Que sont la matière noire et l’énergie noire ? Un objet doté de masse peut-il réellement être à deux endroits à la fois ?
Ces questions ont échappé à la science en grande partie en raison d’une déconnexion fondamentale entre les cadres mathématiques, théoriques et expérimentaux de la physique quantique et de la physique classique. Mais désormais, en démontrant un effet mécanistique découlant uniquement du spin quantique, l’équipe de l’OIST a créé une plateforme expérimentale permettant de tester des théories physiques exotiques.
Twamley résume : « Nous avons montré une grande réponse classique issue d’un petit effet quantique. Il ne s’agit plus de savoir si une telle technologie est possible, mais de comment nous pouvons affiner les conditions expérimentales pour parvenir à la superposition quantique dans le régime de la relativité générale d’Einstein. Et ce faisant, nous développons une nouvelle classe de capteurs extrêmement précis. Nous repoussons la barre des nanomètres aux centimètres. Il ne nous manque qu’un autre ordre de grandeur, et nous pourrons enfin observer le chat de Schrödinger dans la vie réelle. »
Article : Spin-force from a Nitrogen-Vacancy ensemble drives a 100 mg levitated resonator – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
