Les physiciens poussent des milliers d’atomes dans un état de « chat de Schrödinger », rapprochant plus que jamais le monde quantique de la réalité.

Les physiciens ont mis des milliers d’atomes dans un état de « chat de Schrödinger », battant ainsi le record de l’objet le plus macroscopique pouvant être observé dans un état quantique.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont observé des nanoparticules de 7 000 atomes de sodium agissant comme une onde cohésive, poussant le monde étrange de la mécanique quantique vers de nouvelles limites. En s’appuyant sur ces recherches, de futures expériences pourraient enfin mettre des molécules biologiques dans un état quantique, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles façons d’étudier leurs propriétés physiques.

Dans l’expérience, l’équipe a produit un faisceau de nanoparticules de sodium et l’a dirigé vers une fente étroite. Leurs résultats, publié le 21 janvier dans la revue Naturemontrent que les nanoparticules de sodium se propagent pour produire un motif d’interférence, présentant l’étrange comportement quantique connu sous le nom de dualité onde-particule. Ces nanoparticules de sodium ont désormais collectivement établi le record des objets les plus macroscopiques pouvant être observés dans une superposition quantique.

« Habituellement, lorsque les gens pensent à la mécanique quantique, ils l’associent à de toutes petites choses, peut-être des photons, peut-être des électrons », a déclaré l’auteur principal de l’étude. Sébastien Pedalinophysicien à l’Université de Vienne, a déclaré à Live Science. « Mais mécanique quantique lui-même n’énonce aucune limite. Et c’est ce que nous testons. »

Ici et là

Dans le domaine quantique, les particules peuvent être à la fois ici et là. Cet étrange phénomène est connu sous le nom de superposition quantique.

Le physicien quantique Erwin Schrödinger a comparé cela à placer un chat dans une boîte scellée avec une fiole de poison qui est censée être libérée lorsqu’une source radioactive se désintègre, ce qui signifie que le chat pourrait être tué à tout moment une fois la boîte scellée. Cela place le chat dans une superposition d’être à la fois mort et vivant. Ce n’est que si la boîte est ouverte et que le chat est observé que la superposition s’effondre et que le chat est défini comme mort ou vivant.

Incroyablement, c’est ainsi que les particules se comportent à l’échelle quantique ; ils se trouvent à plusieurs endroits à la fois et agissent à la fois comme une particule et une onde jusqu’à ce qu’ils soient observés.

Ce monde bizarre soulève une question : où est la frontière entre le monde quantique et celui que nous observons quotidiennement ? À quel moment une particule commence-t-elle à agir comme une onde ?

La raison pour laquelle nous ne voyons pas de superposition quantique autour de nous est due à un processus appelé décohérence. Si quelque chose dans une superposition quantique interagit avec son environnement, il se décohérera et ne sera plus à la fois ici et là ; au lieu de cela, il sera forcé à un seul endroit. Les objets plus gros interagissent constamment avec leur environnement et ne peuvent donc pas maintenir une superposition quantique. Le véritable défi lorsqu’on essaie d’observer des particules plus grosses agissant comme une onde est donc de les isoler afin qu’elles puissent rester dans une superposition quantique cohérente.

Recherche d’interférences

Pour la nouvelle étude, Pedalino a tenté d’observer les grosses nanoparticules de sodium dans une superposition quantique. Pour ce faire, lui et son équipe ont converti quelques grammes de sodium en un faisceau de nanoparticules, qu’ils ont ensuite dirigé vers une fente étroite.

Si la nanoparticule de sodium se trouvait dans une superposition quantique, cela signifierait qu’elle se propagerait comme une onde après avoir traversé la fente. Cela produirait alors un motif d’interférence. Cependant, s’il se décohérait et commençait à agir comme une particule normale, le sodium passerait directement par la fente et l’équipe verrait une ligne plate.

« Pendant deux ans, j’ai observé des lignes plates », a déclaré Pedalino. « Nous essayions de voir le motif d’interférence, mais nous avions des lignes plates. Et en fin de compte, la ligne plate n’est pas vraiment utile, car elle n’est pas concluante. »

Finalement, la ligne unique qu’ils avaient vue sur le détecteur s’est élargie et est devenue le motif d’interférence indubitable qui signifiait que les nanoparticules de sodium se comportaient à la fois comme des particules et des ondes.

« Ce moment était incroyable », a déclaré Pedalino. « Il était déjà tard dans la nuit et j’ai appelé mon professeur. Et il est revenu au labo, et nous avons pris des mesures jusqu’à 3 heures du matin, quand nous n’avons plus eu de sodium. »

L’équipe a déterminé que la « macroscopique » – une quantité qui décrit la quantité de poussée d’un objet quantique dans le monde classique – des nanoparticules de sodium était de 15,5, battant ainsi le précédent record de macroscopique d’un ordre de grandeur.

Cette découverte ouvre la porte à de futures expériences où les scientifiques pourraient observer des matériaux biologiques, tels qu’un virus ou des protéines, dans une superposition quantique. L’expérience représente une avancée majeure et rapproche cet étrange phénomène quantique du monde réel.