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Effet Zénon : une nouvelle preuve de cette étrangeté quantique

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Si l'effet Zénon quantique existait dans le monde macroscopique, il reviendrait à empêcher une casserole d'eau de chauffersur le feu en y plongeant à répétition et très rapidement un thermomètre pour mesurer l'élévation de température. Prédit par Alan Turing, le phénomène vient d'être observé sous un nouvel aspect avec des atomes piégés dans un réseau optique.

Zénon d'Élée, né vers 490 et mort vers 430 av. J.-C., est un philosophe grec présocratique célèbre pour les paradoxes logiques et mathématiques apparents qui découlent de la divisibilité des nombres avec l'espace et le temps. Ces paradoxes ont tous été résolus avec l'essor des mathématiques et de la physique du XVIIe siècle. © Buzzco Associates, inc; TED Ed, YouTube

En mécanique quantique, l'un des concepts les plus difficiles à comprendre et à intégrer pour le débutant, et même pour le physicien confirmé, est le rôle qu'y joue l'observateur, qu'il soit un être humain ou un instrument de mesure piloté par un ordinateur. La raison essentielle est la suivante : il semble bien, dans le cadre de l'interprétation standard de la théorie quantique, qu'il soit impossible de parler de l'existence réelle de certains attributs classiques d'un système quantique sans faire intervenir l'acte de mesure pour l'observer.

Ainsi, en soi, un quanta de matière ou d'énergie (et même des atomes et des molécules de matière) n'existe pas comme un objet localisé de façon constante dans l'espace et dans le temps. C'est l'interaction avec un système physique classique macroscopique - un détecteur en physique des particules par exemple - en un endroit et un temps donnés, qui peut l'amener à se manifester comme un objet classique semblable à une boule de billard. C'est ainsi qu'un photon ou un électron peuvent être observés par un détecteur lorsqu'ils se localisent à la surface d'un capteur CCD.

Un autre avatar de cette étrangeté quantique se manifeste lorsque l'on considère des systèmes comme un atome couplé à un champ électromagnétique ou une particule élémentaire couplée aux interactions faibles. Le premier peut se désexciter émettant des photons, le second, se désintégrer en d'autres particules, comme des muons et des neutrinos s'il s'agit d'un pion. Le couplage à un champ joue, d'une certaine façon, le rôle d'une mesure et force le système à évoluer. Mais, dans certains cas, comme Alan Turing le découvrit en 1954, l'observation peut bloquer cette évolution. Le paradoxe de Turing, comme il est parfois appelé, a été énoncé sous une forme plus rigoureuse en 1974 par Degasperis, Fonda et Ghirardi puis par Sudarshan et Misra qui l'ont baptisé l'effet Zénon (Quantum Zeno effect en anglais).

Le grand physicien théoricien George Sudarshan est à l’origine du nom de l’effet Zénon quantique, dont il fut l’un des premiers à signaler la présence dans le monde quantique. En effet, comme Alan Turing avant lui, George Sudarshan a montré qu’en observant assez fréquemment une particule instable, il était possible de l'empêcher de se désintégrer ! Aujourd'hui, l'effet Zénon est peut-être une clé pour la réalisation des ordinateurs quantiques. © ICTP

Un effet tunnel inhibé par l'effet Zénon dans un réseau optique

Le nom d'effet Zénon est un clin d'œil au philosophe grec Zénon d'Élée qui a vécu dans la Grande Grèce, c'est-à-dire une partie du Sud de l'Italie, il y a presque 2.500 ans. Zénon pensait avoir démontré que le mouvement était une illusion, car impossible. En effet, dans les deux exemples mentionnés précédemment, l'effet Zénon opérerait de la façon suivante : à force de regarder à des intervalles de temps très rapprochés (la condition est essentielle) un atome ou un pion pour détecter leurs émissions de particules, l'observateur les empêcherait de se désexciter et de se désintégrer. L'effet Zénon n'a été observé expérimentalement qu'en 1989, avec des ions refroidis par laser et piégés par des champs magnétiques et électriques, par le prix Nobel de physique David J. Wineland et son équipe. Un groupe de physiciens de l'université de Cornell (États-Unis) vient de l'observer à nouveau avec des atomes ultra-froids de rubidium piégés dans un réseau optique, comme les chercheurs l'expliquent dans un article disponible sur arXiv.

À la base, l'expérience a consisté à refroidir sous vide environ un milliard de ces atomes à l'aide de la technique de refroidissement Raman par bandes latérales, donc en utilisant un piège magnéto-optique, puis à utiliser à nouveau des faisceaux laser pour créer des cuvettes de potentiel périodique où ces atomes se répartissent comme ils le feraient dans un réseau cristallin. Comme des ondes électromagnétiques sont utilisées, il est cependant question de réseau optique (optical lattice en anglais).

Ces atomes ne restent pas en permanence dans les sites du réseau cristallin artificiel ainsi créé. Ils transitent d'un site à l'autre par effet tunnel. On peut en comprendre intuitivement la raison en se rappelant qu'à cause des inégalités de Heisenberg, des atomes froids doivent être, en quelque sorte, délocalisés dans un tel réseau puisque la température du gaz, et donc les vitesses des atomes, sont basses. En effet, le produit de la dispersion de la vitesse par celui de la position doit être au moins de l'ordre de la constante de Planck pour chaque atome. Une dispersion presque nulle de la vitesse entraîne donc une dispersion élevée de la position.

Mais, comme l'ont montré les chercheurs, tout change si l'on tente malgré tout d'observer les positions de ces atomes. Pour cela, il faut d'abord commencer à exciter ces atomes avec des lasers pour induire un effet de fluorescence. Les photons émis par les atomes qui se désexcitent sont ensuite observés avec une sorte de microscope, ce qui revient à tenter de déterminer les positions de ces atomes. L'observateur constate alors que l'effet Zénon entre en jeu et que l'effet tunnel est d'autant plus inhibé que les lasers sont réglés plus finement pour mesurer précisément les positions des atomes.

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