Des molécules géantes peuvent être à deux endroits à la fois, grâce à la physique quantique.
C’est quelque chose que les scientifiques savent depuis longtemps est théoriquement vrai sur la base de quelques faits: chaque particule ou groupe de particules dans l’univers est aussi une onde — même les grosses particules, même les bactéries, même les êtres humains, même les planètes et les étoiles. Et les vagues occupent plusieurs endroits dans l’espace à la fois. Ainsi, n’importe quel morceau de matière peut également occuper deux endroits à la fois. Les physiciens appellent ce phénomène « superposition quantique », et pendant des décennies, ils l’ont démontré en utilisant de petites particules.
Mais ces dernières années, les physiciens ont intensifié leurs expériences, démontrant la superposition quantique en utilisant des particules de plus en plus grosses. Maintenant, dans un article publié en septembre. 23 dans la revue Nature Physics, une équipe internationale de chercheurs a fait en sorte que des molécules composées de jusqu’à 2 000 atomes occupent deux places en même temps.
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Pour le réussir, les chercheurs ont construit une version compliquée et modernisée d’une série d’expériences anciennes célèbres qui ont d’abord démontré la superposition quantique.
Les chercheurs savaient depuis longtemps que la lumière, tirée à travers une feuille avec deux fentes, créerait un motif d’interférence, ou une série de franges claires et sombres, sur le mur derrière la feuille. Mais la lumière était comprise comme une onde sans masse, pas quelque chose fait de particules, donc ce n’était pas surprenant. Cependant, dans une série d’expériences célèbres dans les années 1920, les physiciens ont montré que les électrons tirés à travers des films minces ou des cristaux se comporteraient de la même manière, formant des motifs comme la lumière le fait sur le mur derrière le matériau diffractant.
Si les électrons étaient simplement des particules et ne pouvaient donc occuper qu’un seul point de l’espace à la fois, ils formeraient deux bandes, à peu près de la forme des fentes, sur le mur derrière le film ou le cristal. Mais au lieu de cela, les électrons ont frappé ce mur dans des motifs complexes suggérant que les électrons s’étaient interférés avec eux-mêmes. C’est un signe révélateur d’une vague; dans certains endroits, les pics des vagues coïncident, créant des régions plus lumineuses, tandis que dans d’autres endroits, les pics coïncident avec des creux, de sorte que les deux s’annulent et créent une région sombre. Parce que les physiciens savaient déjà que les électrons avaient une masse et étaient définitivement des particules, l’expérience a montré que la matière agissait à la fois comme des particules individuelles et comme des ondes.
Mais c’est une chose de créer un motif d’interférence avec les électrons. Le faire avec des molécules géantes est beaucoup plus délicat. Les molécules plus grosses ont des ondes moins facilement détectées, car les objets plus massifs ont des longueurs d’onde plus courtes qui peuvent conduire à des modèles d’interférence à peine perceptibles. Et ces particules de 2 000 atomes ont des longueurs d’onde plus petites que le diamètre d’un seul atome d’hydrogène, de sorte que leur motif d’interférence est beaucoup moins dramatique.
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Pour réaliser l’expérience de la double fente pour de grandes choses, les chercheurs ont construit une machine capable de tirer un faisceau de molécules (des choses gigantesques appelées « oligo-tétraphénylporphyrines enrichies de chaînes fluoroalkylsulfanyle », dont certaines plus de 25 000 fois la masse d’un atome d’hydrogène simple) à travers une série de grilles et de feuilles portant de multiples fentes. La poutre mesurait environ 2 mètres (6,5 pieds) de long. C’est assez grand pour que les chercheurs aient dû tenir compte de facteurs tels que la gravité et la rotation de la Terre dans la conception de l’émetteur de faisceau, ont écrit les scientifiques dans l’article. Ils ont également gardé les molécules assez chaudes pour une expérience de physique quantique, ils ont donc dû tenir compte de la chaleur qui bousculait les particules.
Mais quand les chercheurs ont allumé la machine, les détecteurs situés à l’extrémité du faisceau ont révélé un motif d’interférence. Les molécules occupaient plusieurs points de l’espace à la fois.
C’est un résultat passionnant, ont écrit les chercheurs, prouvant que l’interférence quantique à des échelles plus grandes que jamais n’avait été détectée.
« La prochaine génération d’expériences sur les ondes de matière poussera la masse d’un ordre de grandeur », ont écrit les auteurs.
Ainsi, des démonstrations encore plus importantes d’interférence quantique sont à venir, bien qu’il ne sera probablement pas possible de se déclencher à travers un interféromètre de sitôt. (Tout d’abord, le vide dans la machine vous tuerait probablement.) Les êtres géants américains vont juste devoir s’asseoir au même endroit et regarder les particules s’amuser.
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Initialement publié sur Live Science.
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