Des agglomérats métalliques dans un état quantique : une équipe de recherche bat des records

Un petit morceau de métal peut-il être dans un état quantique qui s’étend sur des endroits distants ? Une équipe de recherche de l’Université de Vienne répond à cette question par un oui retentissant. Dans la revue Nature, des physiciens de l’Université de Vienne et de l’Université de Duisbourg-Essen montrent que même des nanoparticules massives composées de milliers d’atomes de sodium suivent les règles de la mécanique quantique. L’expérience est actuellement l’un des meilleurs tests de la mécanique quantique à l’échelle macroscopique. 

La matière comme une onde

En mécanique quantique, non seulement la lumière mais aussi la matière peuvent se comporter à la fois comme une particule et comme une onde. Cela a été prouvé à maintes reprises pour les électrons, les atomes et les petites molécules grâce à des expériences de diffraction ou d’interférence à double fente. Cependant, nous ne voyons pas cela dans la vie quotidienne : les billes, les pierres et les particules de poussière ont un emplacement bien défini et une trajectoire prévisible ; ils suivent les règles de la physique classique.

À l’Université de Vienne, l’équipe dirigée par Markus Arndt et Stefan Gerlich a maintenant démontré pour la première fois que la nature ondulatoire de la matière est également préservée dans des nanoparticules métalliques massives. L’échelle des particules est impressionnante : les agrégats ont un diamètre d’environ 8 nanomètres, ce qui est comparable à la taille des structures de transistors modernes. Avec une masse de plus de 170 000 unités de masse atomique, elles sont également plus massives que la plupart des protéines. Néanmoins, l’interférence quantique de ces nanoparticules peut être détectée.

« Intuitivement, on s’attendrait à ce qu’un si gros morceau de métal se comporte comme une particule classique », explique l’auteur principal et doctorant Sebastian Pedalino. « Le fait qu’il interfere encore montre que la mécanique quantique est valide même à cette échelle et ne nécessite pas de modèles alternatifs. »

« L’agglomérat métallique de Schrödinger »

Les scientifiques génèrent des agrégats de sodium froids composés de 5 000 à 10 000 atomes. Ceux-ci sont envoyés à travers trois réseaux de diffraction générés par des faisceaux laser ultraviolets. Dans le premier faisceau laser, l’emplacement de chaque agrégat est d’abord prédéterminé avec une période d’un dix-millième de millimètre à une précision d’environ 10 nm, le mettant ainsi dans une superposition de chemins que la particule peut emprunter à travers l’appareil. Lorsque ces possibilités se superposent à la fin de la machine, un motif rayé mesurable de métal est créé, en bon accord avec la théorie quantique. 

Cela montre que l’emplacement des particules n’est pas fixé pendant le vol non observé. Cette délocalisation est des dizaines de fois plus grande que la taille de chaque particule individuelle. Les physiciens appellent de tels états des états de chat de Schrödinger car ils imitent une expérience de pensée du prix Nobel autrichien Erwin Schrödinger. Il se demandait s’il était possible de mettre un chat dans un état dans lequel il est à la fois mort et vivant. L’analogie dans l’expérience : « chaque morceau de métal est ici et n’est pas ici ».

Une nouvelle échelle atteinte dans le laboratoire de l’Université de Vienne

Une théorie complète sur l’interférométrie en champ proche a été formulée au cours des deux dernières décennies par Klaus Hornberger (Université de Duisbourg Essen) qui est également co-auteur de cette étude. Hornberger et Stefan Nimmrichter (alors à l’Université de Vienne) ont introduit la macroscopique comme mesure pour rendre comparables une grande variété d’expériences quantiques, y compris les nano-oscillateurs, les interféromètres atomiques et les résonateurs nanoacoustiques. La macroscopique mesure à quel point une expérience quantique peut exclure même les plus petites déviations de la théorie quantique. 

Dans la nouvelle expérience, une valeur de μ = 15,5 a maintenant été atteinte. C’est environ un ordre de grandeur plus élevé que dans toutes les autres expériences mondiales à ce jour. Pour réaliser un test tout aussi rigoureux avec des électrons, leur superposition quantique devrait être maintenue pendant environ 100 millions d’années. Les nanoparticules massives du laboratoire de l’Université de Vienne n’ont eu besoin que d’environ un centième de seconde pour le faire.

Perspectives et applications

L’expérience est principalement conçue pour nous aider à comprendre pourquoi la physique quantique semble si étrange, alors que notre vie quotidienne semble si « normale ». À l’avenir, des objets encore plus grands et d’autres classes de matériaux seront étudiés, ce qui devrait donner lieu à des tests encore meilleurs de la physique quantique.

Dans une infrastructure améliorée et en utilisant de nouveaux équipements, l’objectif est d’améliorer leur propre record de plusieurs ordres de grandeur dans les années à venir. L’interféromètre de Vienne est également un capteur de force très sensible qui peut actuellement mesurer des forces de l’ordre de 10^-26 N et qui sera encore plus sensible à l’avenir. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour les mesures de précision, telles que les propriétés électriques, magnétiques ou optiques de nanoparticules isolées—un ajout passionnant aux méthodes établies en nanotechnologie.

Article : Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Vienne U.