Physicists demonstrate controlled expansion of quantum wavepacket in a levitated nanoparticle
Des physiciens démontrent l'expansion contrôlée d'un paquet d'ondes quantiques dans une nanoparticule en lévitation
Par Ingrid Fadelli, Phys.org
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Image montrant une nanoparticule au contour flou : une sorte d'impression artistique de délocalisation. Les trajectoires bruitées à gauche et à droite indiquent ce qui se passe après la délocalisation. À gauche, les trajectoires sont étalées sur une faible largeur, indiquant une localisation précise. À droite, en revanche, l'étalement est beaucoup plus important en raison de la délocalisation. De plus, les oscillations de l'étalement sont typiques d'un état délocalisé piégé dans un potentiel harmonique. Crédit : Nicola Carlon Zambon.
La théorie de la mécanique quantique prédit qu'en plus de présenter un comportement particulaire, les particules de toutes tailles peuvent également avoir des propriétés ondulatoires. Ces propriétés peuvent être représentées à l'aide de la fonction d'onde, une description mathématique des systèmes quantiques qui décrit les mouvements d'une particule et la probabilité qu'elle se trouve dans une position spécifique.
Si les physiciens ont pu établir les fonctions d'onde de nombreuses petites particules, celles des particules plus grosses se sont jusqu'à présent révélées difficiles. Cela s'explique principalement par le fait que le comportement ondulatoire des particules plus grosses est plus susceptible d'être perturbé par des interactions indésirables que leur comportement particulaire classique.
Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone ont récemment présenté une nouvelle méthode qui pourrait aider à délimiter la fonction d'onde des particules plus grosses. Leur approche, décrite dans un article publié dans Physical Review Letters, s'appuie sur une technique appelée compression quantique pour augmenter la longueur de cohérence, c'est-à-dire la distance sur laquelle le comportement ondulatoire d'une nanoparticule en lévitation optique reste bien défini.
« L'une des plus belles démonstrations de la physique quantique est l'interférence matière-ondes », a déclaré Massimiliano Rossi, premier auteur de l'article, à Phys.org. Cela montre que les objets massifs, dont on s'attend généralement à ce qu'ils se comportent comme des particules, peuvent également se comporter comme des ondes, comme des ondulations sur l'eau. En théorie, ce comportement ondulatoire s'applique non seulement aux atomes, mais aussi à des objets beaucoup plus grands et plus « ordinaires ».
Les nanoparticules en sont un parfait exemple : elles sont omniprésentes dans la nature, de taille similaire à celle des virus, et nous les considérons comme de minuscules particules de poussière. Mais si l'on prend une nanoparticule unique, qu'on l'isole parfaitement de son environnement et qu'on contrôle son mouvement, la mécanique quantique prédit qu'elle devrait également présenter des interférences.
Rossi et ses collègues, ainsi que d'autres physiciens travaillant sur la lévitation optomécanique des particules, tentent de concrétiser cette idée expérimentalement depuis des années. Jusqu'à présent, cependant, l'observation d'interférences dans des nanoparticules individuelles s'est avérée difficile.
« Une étape clé franchie il y a quelques années a été de refroidir une nanoparticule jusqu'à son état fondamental quantique, ce qui signifie la placer dans un paquet d'ondes de mouvement bien défini », a expliqué Rossi. « Le problème est que ce paquet d'ondes est très étroit – seulement quelques picomètres de large. Pour observer les interférences, il faudrait un réseau de diffraction de cette même échelle minuscule, ce qui est difficile, voire impossible, à construire. » C'est ainsi qu'est née l'idée derrière ces travaux : au lieu de réduire la taille du réseau, pourquoi ne pas agrandir le paquet d'ondes ?
L'objectif principal de l'étude récente de l'équipe était d'augmenter le paquet d'ondes quantiques de mouvement d'une nanoparticule. S'ils parvenaient à élargir suffisamment ce paquet d'ondes, ils pourraient ouvrir la voie à des expériences d'interférence avec des nanoparticules en lévitation optique.
« Le principe de base est simple et tout droit sorti des manuels », explique Rossi. « Dans un potentiel harmonique, comme celui d'une pince optique, un paquet d'ondes gaussien reste étroitement confiné (autour de 22 h dans notre cas). Mais si l'on supprime brusquement le potentiel, il se produit une délocalisation : le paquet d'ondes s'étale au fil du temps, augmentant ainsi sa « taille ». Bien sûr, en pratique, on ne peut pas simplement désactiver le piège, car la nanoparticule tomberait alors.
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Pour surmonter ce défi, Rossi et ses collègues ont temporairement affaibli le piège optique qu'ils utilisaient. Ce faisant, ils ont constaté que le paquet d'ondes de la particule s'était initialement dilaté, mais qu'il était ensuite recomprimé par le piège, revenant à sa taille initiale.
« L'astuce consiste à revenir au piège serré avant que cela ne se produise », explique Rossi. « De cette façon, le paquet d'ondes conserve sa taille dilatée, ce qui nous donne une délocalisation plus importante. Grâce à cette méthode, nous avons réussi à augmenter la délocalisation de la nanoparticule à 70 µm, soit plus du double de la longueur de cohérence de l'état fondamental. » En termes absolus, cela reste faible pour les expériences de diffraction, b
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RESUME
Des physiciens démontrent l'expansion contrôlée d'un paquet d'ondes quantiques dans une nanoparticule en lévitation.
La théorie de la mécanique quantique prédit qu'en plus de présenter un comportement particulaire, les particules de toutes tailles peuvent également avoir des propriétés ondulatoires. Ces propriétés peuvent être représentées par la fonction d'onde, une description mathématique des systèmes quantiques qui décrit les mouvements d'une particule et la probabilité qu'elle se trouve dans une position spécifique.
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COMMENTAIRES
Ces résultats sont interessants et démontrent une fois de plus l utilité de l invention du concept de la fonction d onde .En supposant que la matière (par exemple, les électrons) pouvait être considérée à la fois comme des particules et des ondes, Erwin Schrödinger a formulé en 1926 une équation d'onde qui calculait avec précision les niveaux d'énergie des électrons dans les atome .... Ceci dit en mécanique quantique il faut toujours se rappeler qu on ne peut pas avoir le beure et l argent du beurre et que pricipe de Heisenberg est toujours là pour contrarier la connaissance totale d une énergie ''individuelle'' !!!!!
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More information: M. Ro
ssi et al, Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2yzc-fsm3. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.01264
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
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