L'état fondamental d'un système quantique n'avait jamais été obtenu pour un objet d'aussi grande taille. Cela peut ouvrir de nouvelles possibilités aux physiciens.

À l’échelle quantique, les objets ne sont pas statiques ; les atomes sont en mouvement constant. Il est toutefois possible de les ralentir pour que le système quantique entre dans un « état fondamental » de stabilité, soit un mouvement minimal, quasiment à l’arrêt. Cet état s’obtient lorsque le système atteint son plus bas niveau d’énergie et, pour ce faire, il s’agit de refroidir l’ensemble. Les physiciens savent déjà le faire, mais, dans une étude du MIT parue dans Science le 18 juin 2021, les chercheurs expliquent avoir réussi cet exercice à une échelle inédite.

L’accomplissement a eu lieu à l’observatoire LIGO, qui se destine à la détection des ondes gravitationnelles. On y trouve un oscillateur optomécanique, composé de miroirs. C’est précisément cet oscillateur que les physiciens ont réussi à rapprocher de l’état fondamental. « Rapprocher » : cela signifie qu’ils ont atteint 77 nanokelvins, l’état fondamental complet de l’objet étant à 10 nanokelvins. Mais ce simple effleurement est déjà un exploit, en raison de la taille du système quantique. La température de 77 nanokelvins est « comparable à celle à laquelle les physiciens atomiques refroidissent leurs atomes pour atteindre leur état fondamental, et ce avec un petit nuage d’environ un million d’atomes, pesant quelques picogrammes ». Or, en l’occurrence, il y avait bien plus d’atomes.

Oscillateur optomécanique de LIGO. // Source : MIT/LIGO

L’objet est effectivement à l’échelle humaine, soit d’un point de vue physique à l’échelle de kilogrammes. Il pèse l’équivalent de 10 kilogrammes et contient un octillion d’atomes — soit bien davantage que le million d’atomes précédemment évoqué. De fait, même si l’objet n’est pas matériellement tangible (l’oscillateur n’est pas comparable à une bouteille d’eau, un livre, une lampe ; il représente le mouvement combiné de plusieurs objets), il est 10 milliards de milliards de fois plus massif que le dernier record.

Un rêve bientôt réalité

Cet exploit scientifique amène à son tour de nouvelles possibilités, car l’échelle de l’objet change aussi ce que les physiciens peuvent étudier. Comme les auteurs l’expliquent sur le site du MIT, maintenant qu’ils savent s’approcher de l’état fondamental à l’échelle des kilogrammes, ils pensent pouvoir mesurer l’effet de la gravité sur un objet quantique massif. Et ce serait une première.

Vivishek Sudhir, professeur adjoint d’ingénierie mécanique au MIT, directeur de ce projet, explique que « personne n’a jamais observé comment la gravité agit sur des états quantiques massifs ». Une telle possibilité «  n’était jusqu’à présent qu’un rêve ».

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