Les physiciens quantiques sont familiers avec des phénomènes bizarres et apparemment absurdes : atomes et les molécules agissent tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes ; les particules peuvent être reliées entre elles par un « action effrayante à distance », même sur de grandes distances ; et les objets quantiques peuvent se détacher de leurs propriétés comme le Chat du Cheshire de Les aventures d’Alice au pays des merveilles se détache de son sourire. Des chercheurs dirigés par Daniela Angulo de l’Université de Toronto ont révélé un autre résultat quantique étrange : les photons, onde-particules de lumièrepeut passer un temps négatif à parcourir un nuage d’atomes refroidis. En d’autres termes, les photons peuvent sembler sortir d’un matériau avant d’y entrer.
« Ça a pris une durée positivemais notre expérience observant que les photons peuvent donner l’impression que les atomes passent un temps *négatif* dans l’état excité est terminée! », a écrit Aephraim Steinberg, physicien à l’Université de Toronto, dans un article publier sur X (anciennement Twitter) à propos du nouvelle étudequi a été téléchargé sur le serveur de préimpression arXiv.org le 5 septembre et n’a pas encore été examiné par des pairs.
L’idée de ce travail est née en 2017. À l’époque, Steinberg et un collègue de laboratoire, alors doctorant Josiah Sinclair, s’intéressaient à l’interaction de la lumière et de la matière, plus précisément à un phénomène appelé excitation atomique: lorsque les photons traversent un milieu et sont absorbés, les électrons tourbillonnant autour des atomes de ce milieu sautent vers des niveaux d’énergie plus élevés. Lorsque ces électrons excités reviennent à leur état d’origine, ils libèrent l’énergie absorbée sous forme de photons réémis, introduisant un retard dans le temps de transit observé de la lumière à travers le milieu.
L’équipe de Sinclair voulait mesurer ce délai (parfois appelé techniquement « délai de groupe ») et savoir s’il dépend du sort de ce photon : a-t-il été dispersé et absorbé à l’intérieur du nuage atomique, ou a-t-il été transmis sans aucune interaction. ? « À l’époque, nous n’étions pas sûrs de la réponse, et nous pensions qu’il était facile de répondre à une question aussi fondamentale sur quelque chose d’aussi fondamental », a déclaré Sinclair. « Mais plus nous parlions de personnes, plus nous réalisions que même si chacun avait sa propre intuition ou supposition, il n’y avait pas de consensus d’experts sur ce que serait la bonne réponse. » Parce que la nature de ces retards peut être si étrange et contre-intuitive, certains chercheurs ont considéré le phénomène comme étant dénué de sens pour décrire une propriété physique associée à la lumière.
Après trois ans de planification, son équipe a développé un appareil pour tester cette question en laboratoire. Leurs expériences consistaient à tirer des photons à travers un nuage d’atomes de rubidium ultrafroids et à mesurer le degré d’excitation atomique qui en résultait. Deux surprises sont ressorties de l’expérience: Parfois, les photons passaient indemnes, mais les atomes de rubidium restaient excités – et aussi longtemps que s’ils avaient absorbé ces photons. Plus étrange encore, lorsque les photons étaient absorbés, ils semblaient être réémis presque instantanément, bien avant que les atomes de rubidium ne reviennent à leur état fondamental – comme si les photons, en moyenne, quittaient les atomes plus rapidement que prévu.
L’équipe a ensuite collaboré avec Howard Wiseman, théoricien et physicien quantique à l’Université Griffith en Australie, pour trouver une explication. Le cadre théorique qui a émergé ont montré que le temps passé par ces photons transmis sous forme d’excitation atomique correspondait parfaitement au retard de groupe attendu acquis par la lumière – même dans les cas où il semblait que les photons étaient réémis avant que l’excitation atomique ne reflue.
Pour comprendre cette découverte absurde, vous pouvez penser à les photons comme objets quantiques flous ils le sont, dans lesquels l’absorption et la réémission d’un photon donné par une excitation atomique ne sont pas garanties de se produire sur une certaine durée fixe ; elle se déroule plutôt sur une plage probabiliste et étalée de valeurs temporelles. Comme le démontrent les expériences de l’équipe, ces valeurs peuvent englober des cas où le temps de transit d’un photon individuel est instantané ou, bizarrement, lorsqu’il se termine avant la fin de l’excitation atomique, ce qui donne une valeur négative.
« Je peux vous promettre que nous avons été complètement surpris par cette prédiction », déclare Sinclair, faisant référence à la correspondance entre le retard de groupe et le temps passé par les photons transmis en tant qu’excitations atomiques. « Et dès que nous avons été sûrs que nous n’avions pas commis d’erreur, Steinberg et le reste de l’équipe – à ce stade, j’avais fait un postdoctorat au (Massachusetts Institute of Technology) – ont commencé à planifier un suivi. -up pour tester cette folle prédiction d’un temps de séjour négatif et voir si la théorie tiendrait le coup. »
Cette expérience de suivi, celle menée par Angulo et vantée par Steinberg sur X, peut être comprise en considérant les deux manières dont un photon peut être transmis. Dans l’un d’eux, le photon porte des sortes d’œillères et ignore complètement l’atome, partant sans même un signe de tête. Dans l’autre, il interagit avec l’atome, le propulsant à un niveau d’énergie plus élevé, avant d’être réémis.
« Lorsque vous voyez un photon transmis, vous ne pouvez pas savoir lequel de ces événements s’est produit », explique Steinberg, ajoutant que les photons étant des particules quantiques dans le domaine quantique, les deux résultats peuvent être contradictoires. superposition– les deux choses peuvent arriver en même temps. « L’appareil de mesure aboutit à une superposition de mesure du zéro et de mesure d’une petite valeur positive. » Mais en conséquence, note Steinberg, cela signifie aussi que parfois « l’appareil de mesure se retrouve dans un état qui semble pas comme « zéro » plus « quelque chose de positif » mais comme « zéro » moins « quelque chose de positif », ce qui donne lieu à ce qui semble être un mauvais signe, une valeur négative, pour ce temps d’excitation.
Les résultats des mesures réalisées dans l’expérience d’Angulo et de ses collègues suggèrent que les photons se déplaçaient plus rapidement dans le milieu lorsqu’ils excitaient les atomes que lorsque les atomes restaient dans leur état fondamental. (Les photons ne communiquent aucune information, donc le résultat ne contredit pas le « rien ne peut voyager plus vite que la lumière » Limitation de vitesse fixé par La théorie de la relativité restreinte d’Einstein.)
« Un retard négatif peut sembler paradoxal, mais cela signifie que si vous construisiez une horloge « quantique » pour mesurer combien de temps les atomes passent dans un état excité, l’aiguille de l’horloge se déplacerait, dans certaines circonstances, vers l’arrière plutôt que vers l’avant. « , dit Sinclair. En d’autres termes, le temps pendant lequel les photons ont été absorbés par les atomes est négatif.
Même si le phénomène est étonnant, il n’a aucun impact sur notre compréhension du temps lui-même – mais il illustre une fois de plus que le monde quantique réserve encore des surprises.
« (Angulo) et le reste de l’équipe ont accompli quelque chose de vraiment impressionnant et produit un bel ensemble de mesures. Leurs résultats soulèvent des questions intéressantes sur l’histoire des photons voyageant à travers des milieux absorbants et nécessitent une réinterprétation de la signification physique du retard de groupe dans optique », explique Sinclair.
Une version de cet article a été initialement publiée dans Spektrum der Wissenschaft et a été reproduit avec autorisation.
Cet article a été publié pour la première fois sur Américain scientifique. © ScientificAmerican.com. Tous droits réservés. Suivez TikTok et Instagram, X et Facebook.
