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On a atteint une limite quantique pour la mesure d'un champ magnétique

ActualitéClassé sous :physique , QUANTOP , Niels Bohr Institute

La mécanique quantique impose des restrictions aux mesures de certaines grandeurs physiques fondamentales, bien qu'il s'agisse plus de limites à la définition classique de ces grandeurs dans le monde atomique. L'intensité mesurable d'un champ magnétique n'échappe pas à ces règles et une des limites quantiques de sa mesure vient d'être atteinte par un groupe de chercheurs de l'Institut Niels Bohr.

Deux des pères fondateurs de la théorie quantique et de son interprétation physique en discussion, Werner Heisenberg (à gauche) et Niels Bohr (à droite). Crédit : AIP-Niels Bohr Library

Bien qu'Albert Einstein ait été le premier à comprendre la nécessité du caractère granulaire de la lumière et le premier à introduire les notions de dualité onde-corpuscule et des lois de probabilité dans le monde quantique, on doit à Niels Bohr et Werner Heisenberg la première interprétation cohérente de la théorie quantique.

En particulier, Heisenberg a été le premier à donner une formulation précise des limites à l'emploi d'un schéma mécanique, issu de la mécanique classique des particules, pour décrire les grandeurs physiques au sein de la théorie quantique. Avec ses fameuses inégalités, parfois désignées sous le terme trompeur et abusif de principe d'incertitude de Heisenberg, il montrait, non pas qu'il existait des grandeurs inaccessibles à l'observation et à la mesure de façon infiniment précises, mais que c'était le sens même de ces grandeurs (vitesse et position par exemple), abstraites du comportement des objets à notre échelle, qui devait avoir des limites lorsque l'on considérait les détails des interactions entre matière et lumière, plus généralement l'évolution de tout système physique à l'échelle atomique.

Ainsi, il était vide de sens d'attribuer à un quantum de matière, comme un électron, à la fois une vitesse et une position simultanément bien définies.

Or, le mouvement d'un électron sous l'influence d'un champ électrique ou magnétique en tout point de l'espace servant justement à définir l'existence de ces forces, il en résultait, comme le montra Niels Bohr, que les valeurs des champs électriques et magnétique eux-mêmes devaient satisfaire une inégalité de Heisenberg. On ne pouvait donc pas mesurer simultanément et avec une précision infinie un champ électrique et un champ magnétique en tout point de l'espace.

Un électron n'est pas seulement susceptible d'avoir une position et une vitesse, il peut avoir un moment cinétique lorsqu'il est par exemple en orbite autour d'un noyau. Il possède aussi un moment cinétique intrinsèque, son spin. Là aussi il existe des inégalités de Heisenberg limitant les valeurs possibles d'un moment cinétique. A nouveau, cela implique que la notion de polarisation de la lumière, capable de transférer du moment cinétique à un électron, doit être restreinte par des inégalités de Heisenberg.

Un cent-milliardième du champ magnétique terrestre

Il se trouve que la présence d'un champ magnétique dans l'espace influe sur la polarisation de la lumière traversant la région où il se trouve. C'est l'effet Faraday et il permet de mesure des champs magnétiques.

En mesurant le changement de polarisation de la lumière traversant des atomes possédant un moment magnétique lié au spin et plongés dans un champ magnétique, il est possible de mesurer l'intensité de champs magnétiques très faibles. Toutefois, jusqu'à présent, lorsque que l'on voulait mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles, comme ceux liés à des processus fins dans le cerveau humain (par exemple pour la MEG), il fallait plutôt faire appel aux Squid supraconducteurs. Mais ces instruments ont l'inconvénient de nécessiter de l'hélium liquide.

Toujours en rapport avec l'influence d'un champ magnétique sur le moment cinétique des atomes, un groupe de chercheurs du centre de recherche d'optique quantique de l'Institut Niels Bohr, le Quantop, vient de trouver le moyen d'atteindre une des limites quantique de mesure d'un champ magnétique mais cette fois avec un appareil fonctionnant à température ambiante.

En une seconde, cet instrument est capable de mesurer des champs magnétique cent milliards de fois plus faibles que celui de la Terre, ce qui veut dire aussi qu'il peut mesurer des courants électriques très faibles générant des champs magnétiques.

L'appareil peut donc être employé pour étudier l'activité électrique du cerveau et du cœur humain, déterminer l'identité chimique d'atomes, détecter des explosifs, ou, tout simplement, indiquer la présence ou l'absence de métal.

Sa mise au point est une véritable performance car, outre la nécessité de maîtriser le bruit quantique se manifestant par l'intermédiaire des inégalités de Heisenberg, les chercheurs ont dû s'affranchir d'autres sources de bruits néfastes à la précision des mesures, comme les fluctuations du champ magnétique due au transport en commun, les ondes radio, etc.

On pourra trouver plus de détails dans l'article que les chercheurs ont publié sur arXiv.

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