Des physiciens ont surpris deux atomes en train de « parler » l’un à l’autre

Une équipe de physiciens aux Pays-Bas et en Allemagne a récemment placé un groupe d’atomes de titane sous un microscope à effet tunnel. Ces atomes étaient en interaction constante et silencieuse les uns avec les autres dans les directions de leurs spins. Dans un exploit intelligent, les chercheurs ont pu se concentrer sur une seule paire d’atomes, en zappant un avec un courant électrique afin d’inverser sa rotation. Ils ont ensuite mesuré la réaction de son partenaire.

Lorsque deux atomes ont des spins interdépendants, ils sont considérés comme enchevêtrés quantiquement. Cet enchevêtrement signifie que le comportement d’un atome a un impact direct sur l’autre, et la théorie dit cela doit rester vrai même quand ils sont séparés par grandes distances. Dans ce cas, les atomes de titane étaient distants d’un peu plus d’un nanomètre (un millionième de millimètre), suffisamment proches pour que les deux particules interagissent entre elles mais suffisamment éloignées pour que l’interaction pourraient être détectés par les instruments de l’équipe.

«La principale conclusion est que nous avons pu observer comment les spins atomiques se comportent au fil du temps en raison de leur interaction mutuelle», a déclaré le co-auteur Sander Otte, physicien quantique à l’Institut de neurosciences de Kavli à l’Université de technologie de Delft en les Pays-Bas. Otte a expliqué dans un e-mail que scientifiques auparavant ont pu mesurer la force de divers spins atomiques et l’influence de cette force sur le niveau d’énergie de l’atome. Mais cette expérience leur a permis d’observer cette interaction au fil du temps.

Un grand espoir de la physique expérimentale est qu’un jour les chercheurs seront capables de simuler des interactions quantiques à volonté, en peaufinant un système quantique à leur guise et en observant le fonctionnement de la mécanique quantique. Les chercheurs, en effet, l’ont fait, en déclenchant une action spécifique dans un atome et en observant la réaction de l’atome voisin.

«C’est une très belle démonstration d’un« simulateur quantique »très simple», a déclaré Ella Lachman, physicienne quantique à l’UC Berkeley qui n’était pas impliquée dans la nouvelle étude. «En contrôlant les positions des atomes, nous pouvons théoriquement construire une réplique d’un réseau ou de tout système dont nous voulons étudier la dynamique.»

L’équipe a choisi de travailler avec des atomes de titane car ils ont le moins d’options possibles pour leur spin, soit vers le haut, soit vers le bas. Les atomes de titane étaient liés sur une surface d’oxyde de magnésium, les maintenant en place pour inspection. Collés à cette surface, qui a été maintenue dans un quasi-vide à seulement 1 degré Kelvin, ou -457,87 Fahrenheit, les atomes pouvaient être choisis individuellement par les physiciens sous la pointe du microscope (voici un joli vidéo montrant comment cela fonctionne). Ils pourraient alors inverser les spins de l’atome en zappant un atome dans une paire avec une impulsion électrique, provoquant une réaction immédiate de son voisin. Ces réactions sont prévisibles, a déclaré Otte, grâce aux lois de la mécanique quantique. (Si vous dites « knock knock », vous pouvez être sûr que la prochaine particule répondra « Qui est là? ») L’ensemble du processus a pris environ 15 nanosecondes, soit 15 milliardièmes de seconde. Leur recherche était publié aujourd’hui en science.

Il existe d’autres moyens de lire dans le monde quantique. Les scientifiques sont capables de provoquer des interactions entre les atomes en modifiant le spin de l’un, mais cette intercommunication se produit si vite que les moyens d’observation typiques, comme le technique de résonance de spin, ne peut pas le ramasser. Chercheurs quantiques utilisent souvent des impulsions micro-ondes pour amener les atomes à changer d’état ou à observer autrement la mécanique quantique, mais cette approche par impulsion électrique a donné à l’équipe la capacité de détecter la plus infime des interactions infimes; l’équivalent d’un DM d’atome à atome.

Des méthodes telles que la technique de résonance de spin sont «tout simplement trop lentes», a déclaré Lukas Veldman, physicien quantique à l’Institut de neurosciences de Kavli à l’Université de technologie de Delft, dans un Delft. Libération. « Vous avez à peine commencé à tordre un tour avant que l’autre ne commence à tourner. De cette façon, vous ne pourrez jamais enquêter sur ce qui se passe lorsque vous placez les deux tours dans des directions opposées. « 

La vraie magie de cette ligne de recherche est encore à venir, a déclaré Otte. Alors que cette détection a cartographié le rebond des spins entre deux atomes, la situation devient beaucoup plus complexe avec chaque atome que vous ajoutez à l’équation. Vous pourriez penser à un jeu de téléphone où les participants peuvent à la fois transmettre le message tout en le chuchotant comme il est venu. Des messages venant de différentes directions commençaient à se croiser, brouillant les communiqués.

«Comme toujours, les modèles de jouets sont agréables, mais une fois que nous y ajoutons la complexité qui nous intéresse vraiment, les questions de mesures et d’interprétations deviennent plus compliquées», a déclaré Lachman. «Peuvent-ils faire la même expérience avec trois atomes en n’en mesurant qu’un? Probablement oui, mais l’interprétation de la mesure devient plus compliquée. Que diriez-vous d’une dizaine d’atomes? Vingt? Le temps et l’ingéniosité diront s’il s’agit d’une démonstration expérimentale intéressante d’un modèle de jouet ou de quelque chose de plus profond. Le potentiel est là. »

Otte a également souligné les défis hallucinants d’aller au-delà d’un simple système de deux atomes. «Si nous augmentons à 20 tours, mon ordinateur portable ne pourra plus calculer ce qui se passe. À 50 tours, les meilleurs supercalculateurs du monde abandonnent, et ainsi de suite », a déclaré Otte. «Si jamais nous voulons comprendre précisément comment se produit le comportement complexe de certains matériaux (un excellent exemple est la supraconductivité), nous devrons« construire »des matériaux à partir de zéro et voir comment les lois de la physique se jouent en passant de 10 à 100 à 1 000 atomes. » La supraconductivité fait référence à des matériaux capables de transmettre de l’électricité sans résistance, ce qui n’est possible pour l’instant qu’à des températures très froides. C’est pourquoi le développement d’un le supraconducteur à température ambiante est un Saint Graal de la physique. Cela changerait complètement le monde.

Mais c’est à ces plus gros nombres que vous commencez à avoir une idée des prix ultimes. Au lieu d’écouter un cœur à cœur atomique, les chercheurs pourraient éventuellement entendre le murmure des conversations quantiques avec de nombreux atomes alors qu’ils basculent. Nous aurons besoin de meilleurs ordinateurs pour de tels dilemmes, bien sûr, mais même les plus petites interactions ont leur propre importance intime, en tant que démarreurs d’une plus grande conversation.

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