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En physique aussi, les atomes crochus existent

Michel Alberganti, mis à jour le 02.04.2015 à 15 h 28

Une équipe de chercheurs français vient de mettre en évidence comment deux atomes distincts peuvent finir systématiquement «ensemble».

Des chercheurs du laboratoire Charles Fabry devant le dispositif expérimental utilisé pour l’expérience sur les atomes crochus. Photo: Jean-François Dars.

Des chercheurs du laboratoire Charles Fabry devant le dispositif expérimental utilisé pour l’expérience sur les atomes crochus. Photo: Jean-François Dars.

Imaginez deux personnes qui entrent dans un bar ou un club. Quelques heures plus tard, elles ressortent ensemble. Refaites l’expérience en modifiant la porte d’entrée de chacune des personnes, voire le moment où elles arrivent. Et vous constatez que, dans tous les cas, les deux personnes repartent ensemble... Qu’en déduiriez-vous? Peut-être que ces personnes ont de tels atomes crochus que leur rencontre est inéluctable, inévitable!

Romantique dans le cas d’êtres humains, cette histoire peut se produire dans le monde... de la physique. En réalité, les atomes crochus existent vraiment, au niveau des particules de la matière. Pas de sentiments dans ce cas. Juste des phénomènes quantiques imaginés dès 1924 par Albert Einstein, qui prédit alors que des atomes peuvent être dans des états «indiscernables». De telles particules se comportent d’une façon plus qu’étonnante, comme si elles étaient liées par une relation aussi invisible que puissante. Plus que des jumeaux, des doubles. Tel un couple fusionnel qui a les mêmes sensations au même moment et agit toujours de façon identique... 

Ce jeudi 2 avril, une équipe de chercheurs français du laboratoire Charles-Fabry à l’Institut d’optique (CNRS-Université Paris-Sud) publie dans la revue Nature une première mondiale. Elle a réussi à mettre en évidence l’existence de tels atomes crochus. Dans son expérience, deux atomes distincts sont envoyés sur une sorte de miroir semi-réfléchissant. Chacun a alors deux possibilités: soit il est réfléchi par le miroir comme une balle qui rebondit sur un mur; soit un traverse le miroir. Or, lorsqu’il s’agit d’atomes indiscernables, ils quittent systématiquement le miroir... ensemble.

Deux atomes (rouge et bleu) entrent en collision avec les deux faces d'un miroir semi-réfléchissant (trait noir). Ils sont ensuite détectés par un capteur (gris). Ils ont quatre possibilités de sortie du miroir, chacun pouvant soit le traverser, soit être réfléchi (a et b). Les atomes crochus, eux, quittent systématiquement le miroir du même coté (c et d).
© Jean-François Dars

Des expériences dès 1987

Dans le monde de la physique quantique, les liens étranges entre particules ne sont pas une nouveauté. En 1987, trois physiciens, C.K. Hong, Z. Y. Ou et Leonard Mandel avaient réalisé la même expérience que l’équipe de l’Institut d’optique avec des photons. «La grosse différence, c’est que nous avons utilisé des particules massives, des atomes, alors que les photons, eux, n’ont pas de masse», précise Christoph Westbrook, le chercheur du CNRS qui a dirigé l’expérience.

Des atomes aussi intimement liés rappellent également les travaux d’un autre chercheur de l’Institut d’optique, Alain Aspect, qui, dans les années 1980, avait mis en évidence «l’intrication» des photons. Un phénomène parent de celui des atomes crochus mais assez différent dans la mesure où les particules ne sont pas liées de la même façon. Les photons intriqués se comportent comme des doubles insensibles à la distance qui les séparent. Si l’on agit sur l’un, l’autre est affecté instantanément de la même façon, même s’ils sont séparés par plusieurs dizaines de kilomètres... Le point commun avec la nouvelle expérience, ce sont ces liens mystérieux qui peuvent s’établir entre des particules dans le monde quantique. Ce qui n’est pas le moins extraordinaire, c’est que c’est bien la théorie qui a prédit l’existence de tels liens. Dans le cas des atomes, il a fallu presqu’un siècle pour vérifier leur existence réelle.

Christoph Westbrook confirme que la mise en évidence des atomes crochus n’a pas été une sinécure. «Nous y travaillons depuis 2007 et l’isolement d’une paire d’atomes indiscernables a fait partie des principales difficultés», indique-t-il. Pour prendre conscience des obstacles à surmonter, il suffit de considérer le point de départ des chercheurs. Il s’agit d’un bain d’hélium mis dans un état particulier appelé «condensat de Bose-Einstein» et qui contient quelque 100.000 atomes. «On chatouille le condensat avec un laser pour en extraire les deux atomes que nous cherchons», explique Christoph Westbrook.

Une fois isolée, la paire d’atomes crochus peut se manipuler avec des faisceaux laser. L’expérience du miroir sert à révéler leurs liens particuliers, les interférences qui existent entre eux. Pour cela, chaque atome entre en collision avec l’une des deux faces du miroir. Les chercheurs ont montré que, lorsque les moments d’impact étaient séparés par moins de 100 millisecondes, le phénomène de sortie ensemble des atomes se produisait. Il est maximal lorsque les deux atomes arrivent simultanément sur le miroir. Pour reprendre l’analogie de la rencontre entre deux personnes, cela signifierait qu’il faut éviter que l’une d’entre elles arrive avec trop de retard...

Quelles applications concrètes?

La démonstration d’un tel lien entre des atomes laisse pour le moins pantois. Que le phénomène ait pu être prédit par des équations a plutôt tendance à renforcer le mystère qui règne sur les mécanismes à l’œuvre dans l’univers quantique, si différent de celui que nous percevons alors même qu’il en constitue le cœur. Les scientifiques eux-mêmes avancent à pas lents dans l’exploration de ce monde. Trente ans pour passer des photons aux atomes... Christoph Westbrook se laisse aller à imaginer que, derrière les atomes crochus, il pourrait exister une interaction entre les atomes et... la gravité. Si tel était le cas, les chercheurs sortiraient de l’exploit expérimental pour entrer dans la révolution que tous les physiciens attendent depuis un siècle: réconcilier la mécanique quantique et la gravitation.

C’est dire si cette expérience pourrait avoir de profondes conséquences, même s’il ne s’agit pour l’instant que de spéculations. En attendant, à quoi peuvent servir les atomes crochus? Christoph Westbrook entrevoit trois applications. Outre la capacité à «sonder la gravité», une meilleure compréhension des interactions entre atomes pourrait jouer un rôle dans la conception des fameux ordinateurs quantiques. L’extension de l’expérience à plusieurs paires d’atomes au lieu d’une seule serait aussi exploitable pour améliorer la précision de certains appareils de mesure par interférométrie, comme les accéléromètres ou les gravimètres. Selon Christoph Westbrook, la précision pourrait être multipliée par 30 avec 1.000 paires d’atomes.

Le chercheur ne mentionne pas l’explication du coup de foudre... Dommage!

Michel Alberganti
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