L'effet "Boomerang" Quantique a été Observé Pour la Première Fois.



L'effet "Boomerang" Quantique a été Observé Pour la Première Fois

Certaines particules quantiques doivent revenir à leur point de départ.

Les physiciens ont confirmé un phénomène théoriquement prédit appelé l'effet boomerang quantique. Une expérience révèle qu'après avoir reçu un coup de pouce, les particules de certains matériaux reviennent en moyenne à leur point de départ, rapportent les chercheurs dans un article accepté dans Physical Review X.

Les particules peuvent faire un boomerang si elles se trouvent dans un matériau très désordonné. Au lieu d'un matériau vierge composé d'atomes disposés de manière ordonnée, le matériau doit avoir de nombreux défauts, tels que des atomes manquants ou mal alignés, ou d'autres types d'atomes dispersés partout.

En 1958, le physicien Philip Anderson s'est rendu compte qu'avec suffisamment de désordre, les électrons d'un matériau se localisent : ils restent bloqués sur place, incapables de voyager très loin de leur point de départ. Les électrons bloqués empêchent le matériau de conduire l'électricité, transformant ainsi ce qui pourrait autrement être un métal en isolant. Cette localisation est également nécessaire pour l'effet boomerang.

Pour imaginer le boomerang en action, le physicien David Weld de l'Université de Californie, Santa Barbara imagine se rétrécir et glisser à l'intérieur d'un matériau désordonné. S'il essaie de rejeter un électron, dit-il, "non seulement il se retournera et reviendra directement vers moi, mais il reviendra vers moi et s'arrêtera". (En fait, dit-il, dans ce sens, l'électron est "plus comme un chien qu'un boomerang". Le boomerang continuera de vous dépasser si vous ne l'attrapez pas, mais un chien bien dressé s'assiéra à vos côtés.)

Weld et ses collègues ont démontré cet effet en utilisant des atomes de lithium ultra-froids comme remplaçants des électrons. Au lieu de chercher des atomes revenant à leur position d'origine, l'équipe a étudié la situation analogue pour l'élan, car cela était relativement simple à créer en laboratoire. Les atomes étaient initialement stationnaires, mais après avoir reçu des coups de pied de lasers pour leur donner une impulsion, les atomes sont revenus, en moyenne, à leur état d'arrêt d'origine, créant un boomerang d'impulsion.

L'équipe a également déterminé ce qui était nécessaire pour briser le boomerang. Pour fonctionner, l'effet boomerang nécessite une symétrie d'inversion du temps, ce qui signifie que les particules doivent se comporter de la même manière lorsque le temps avance qu'elles le feraient lors d'un rembobinage. En changeant le moment du premier coup de pied des lasers afin que le modèle de coup de pied soit décalé, les chercheurs ont brisé la symétrie d'inversion du temps et l'effet boomerang a disparu, comme prévu.

"J'étais si heureuse", déclare Patrizia Vignolo, co-auteur de l'étude. "C'était un accord parfait" avec leurs calculs théoriques, déclare Vignolo, physicien théoricien à l'Université Côte d'Azur basée à Valbonne, en France.

Même si Anderson a fait sa découverte sur les particules localisées il y a plus de 60 ans, l'effet boomerang quantique est un nouveau venu en physique. "Personne n'y a pensé, apparemment, probablement parce que c'est très contre-intuitif", explique le physicien Dominique Delande du CNRS et du laboratoire Kastler Brossel à Paris, qui a prédit l'effet avec des collègues en 2019.

L'effet étrange est le résultat de la physique quantique. Les particules quantiques agissent comme des ondes, avec des ondulations qui peuvent s'additionner et se soustraire de manière compliquée (SN : 5/3/19). Ces ondes se combinent pour améliorer la trajectoire qui ramène une particule à son origine et annule les trajectoires qui partent dans d'autres directions. "C'est un pur effet quantique", dit Delande, "il n'a donc pas d'équivalent en physique classique."

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