Des physiciens créent pour la première fois d'étranges anneaux quantiques d'Alice

Des chercheurs ont manipulé des milliers d'atomes extrêmement froids pour créer un défaut en forme d'anneau susceptible de modifier les propriétés des objets quantiques qui le traversent.

Par Karmela Padavic-Callaghan

29 août 2023

Illustration artistique d'une bague Alice observée pour la première fois

Université Heikka Valja/Aalto

Les physiciens ont regardé à travers le miroir proverbial, et les atomes de l’autre côté appartiennent à un monde d’opposés. Pour la première fois, des chercheurs ont créé un objet quantique exotique appelé anneau d'Alice, qui modifie les propriétés d'autres objets quantiques lorsqu'ils le traversent – ou lorsqu'ils sont simplement observés à travers lui.

Les systèmes quantiques – tels que des collections d’atomes très froids, ou même notre univers tout entier – devraient théoriquement contenir des objets étranges appelés défauts topologiques. Certains ressemblent à de longues cordes, et d’autres sont encore plus étranges : des points de dimension zéro, au centre desquels des choses comme les champs magnétiques deviennent mathématiquement impossibles à décrire.

De tels défauts sont difficiles à créer et à observer. Mais Mikko Möttönen de l'Université Aalto en Finlande et ses collègues ont découvert comment créer un défaut topologique qui se transforme rapidement en un autre.

En savoir plus:

Un nouveau type de caméra peut imager des mini-tourbillons dans des liquides quantiques

Pour ce faire, ils ont d’abord placé 250 000 atomes de rubidium dans une petite chambre dépourvue d’air, puis les ont frappés avec des lasers pour ralentir leur mouvement naturel et les pousser à une température proche du zéro absolu. Dans ces conditions, tous les atomes se comportaient comme un seul grand objet quantique. En raison d’une propriété quantique appelée spin, cet objet était sensible aux champs magnétiques.

Möttönen explique que l'équipe a utilisé des simulations informatiques et des modèles mathématiques pour déterminer comment modéliser la direction et la force des champs magnétiques afin de tordre les atomes jusqu'à ce qu'un défaut topologique apparaisse. Cette approche avait déjà été utilisée pour créer des défauts appelés monopôles, des particules analogues à un aimant doté d’un seul pôle.

Inscrivez-vous à notre newsletter Perdus dans l'Espace-Temps

Démêlez l’étrangeté de la réalité avec notre newsletter mensuelle.

Les chercheurs ont également observé le sort d'un monopôle : après quelques millisecondes, chaque monopôle qu'ils ont créé s'est transformé en un anneau d'Alice doté d'une propriété très étrange.

« Il y a une particularité dans cette bague Alice. Selon que vous regardez un monopôle proche à travers l'anneau ou depuis le côté de l'anneau, sa charge est différente. Ainsi, l’anneau inverse la charge des objets que vous regardez », explique Möttönen. Des simulations informatiques ont en outre montré que la charge d'un monopôle basculerait complètement – de positive à négative, par exemple – s'il traversait l'anneau d'Alice.

Möttönen et ses collègues ont déjà utilisé cette méthode pour créer des défauts topologiques dans des atomes ultrafroids, notamment des structures en forme de nœuds et des tourbillons spéciaux appelés skyrmions. Le prochain défi sur lequel ils se tournent est non seulement de créer un monopôle et un anneau Alice, mais aussi de faire passer l'un à travers l'autre pour tester directement sa fonction de miroir, dit-il.

Janne Ruostekoski de l'Université de Lancaster au Royaume-Uni affirme que la méthode développée par les chercheurs est unique et pourrait même permettre de visualiser des théorèmes mathématiques abstraits. Par exemple, cela pourrait donner aux scientifiques un moyen d’étudier le « théorème de la boule de poils », qui dicte la texture des champs autour des défauts topologiques.

Cela ouvre des « opportunités sans précédent » pour approfondir les théories de la cosmologie ou de la physique des hautes énergies « là où il n’y avait aucune preuve expérimentale auparavant », dit-il.

Référence du journal :

Nature Communications DOI : 10.1038/s41467-023-40710-2