Ils placent les atomes uniques beaucoup plus près les uns des autres que la normale

La proximité est essentielle pour de nombreux phénomènes quantiques, puisque les interactions entre atomes sont d’autant plus fortes que les atomes sont proches les uns des autres. Dans de nombreuses expériences quantiques, les scientifiques réduisent autant que possible la distance entre les atomes libres et immobiles afin d’explorer des états exotiques de la matière et de construire de nouveaux matériaux quantiques.

Pour ce faire, ils refroidissent généralement les atomes jusqu’à l’arrêt, puis utilisent la lumière laser pour les rapprocher les uns des autres à des distances allant jusqu’à seulement 500 nanomètres, limite fixée par la longueur d’onde de la lumière. Aujourd’hui, les physiciens ont développé une technique qui leur permet de placer les atomes beaucoup plus près les uns des autres, à seulement 50 nanomètres.

Les physiciens ont démontré la nouvelle méthode lors d’expériences avec le dysprosium, l’atome le plus magnétique de la nature. Ils ont utilisé la nouvelle méthode pour manipuler deux couches d’atomes de dysprosium et ont placé les couches à exactement 50 nanomètres l’une de l’autre. À cette extrême proximité, les interactions magnétiques étaient 1 000 fois plus fortes que si les couches étaient espacées de 500 nanomètres.

De plus, les scientifiques ont pu observer et mesurer deux nouveaux effets provoqués par la proximité des atomes. L’augmentation des forces magnétiques a provoqué une « thermalisation », c’est-à-dire un transfert de chaleur d’une couche à une autre, ainsi que des oscillations synchronisées entre les couches. Ces effets disparaissaient à mesure que les couches s’éloignaient.

Ces expériences pionnières sont l’œuvre d’une équipe comprenant, entre autres, Li Du et Wolfgang Ketterle, tous deux du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis.

La nouvelle technique permettant de rapprocher les atomes à des distances aussi courtes peut être appliquée aux atomes de nombreux autres éléments chimiques en plus du dysprosium et permettra d’étudier les phénomènes quantiques d’une manière qui n’était pas réalisable jusqu’à présent. L’équipe de recherche prévoit d’utiliser cette technique pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique, un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique.

Les physiciens du MIT ont développé une technique permettant de positionner des atomes uniques (représentés sous forme de sphères avec des flèches) beaucoup plus près qu’auparavant, jusqu’à une distance minimale de 50 nanomètres. Le groupe prévoit d’utiliser cette méthode pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique, un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique. Sur cette image, les lignes colorées représentent l’interaction magnétique. (Illustration : équipe de recherche et service de presse du MIT. CC BY-NC-ND 3.0)

Du, Ketterle et leurs collègues présentent les détails techniques de leurs expériences dans la revue académique Science, sous le titre « Physique atomique à l’échelle de 50 nm : réalisation d’un système bicouche d’atomes dipolaires ». (Fontaine: NCYT de Amazings)