21.07.2022 - Technische Universität Wien

Une onde quantique dans deux cristaux

Percée dans la physique des neutrons

Les particules peuvent se déplacer simultanément sous forme d'ondes sur des trajectoires différentes - c'est l'une des découvertes les plus importantes de la physique quantique. Un exemple particulièrement impressionnant est l'interféromètre à neutrons : des neutrons sont tirés sur un cristal, l'onde de neutrons est divisée en deux parties, qui sont ensuite superposées l'une sur l'autre. On peut observer des motifs d'interférence caractéristiques qui prouvent les propriétés ondulatoires de la matière.

Ces interféromètres à neutrons jouent un rôle important dans les mesures de précision et la recherche fondamentale en physique depuis des décennies. Cependant, leur taille a été limitée jusqu'à présent car ils ne fonctionnaient que s'ils étaient taillés dans un seul morceau de cristal. Depuis les années 1990, des tentatives ont également été faites pour produire des interféromètres à partir de deux cristaux distincts, mais sans succès. Aujourd'hui, une équipe de la TU Wien, de l'INRIM de Turin et de l'ILL de Grenoble a précisément réalisé cet exploit, en utilisant une plateforme de haute précision à bascule pour l'alignement des cristaux. Cela ouvre de toutes nouvelles possibilités pour les mesures quantiques, y compris la recherche sur les effets quantiques dans un champ gravitationnel.

La première étape en 1974

L'histoire de l'interférométrie neutronique a commencé en 1974 à Vienne. Helmut Rauch, longtemps professeur à l'Institut atomique de la TU Wien, a créé le premier interféromètre à neutrons à partir d'un cristal de silicium et a pu observer la première interférence de neutrons au réacteur TRIGA de Vienne. Quelques années plus tard, la TU Wien a mis en place une station d'interférométrie permanente, la S18, à la source de neutrons la plus puissante du monde, l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Cette installation est opérationnelle jusqu'à aujourd'hui.

"Le principe de l'interféromètre est similaire à la célèbre expérience de la double fente, dans laquelle une particule est projetée sur une double fente à la manière d'une onde, traverse les deux fentes simultanément comme une onde et se superpose ensuite à elle-même, de sorte qu'un modèle d'onde caractéristique est créé au niveau du détecteur", explique Hartmut Lemmel (TU Wien).

Mais alors que dans l'expérience à double fente, les deux fentes ne sont séparées que par une distance minime, dans l'interféromètre à neutrons, les particules sont réparties sur deux trajets différents séparés par plusieurs centimètres. L'onde de la particule atteint une taille macroscopique - néanmoins, en superposant les deux trajets, on crée un modèle d'onde qui prouve clairement : La particule n'a pas choisi l'un des deux chemins, elle a utilisé les deux chemins simultanément.

Toute imprécision peut détruire le résultat

Les superpositions quantiques dans un interféromètre à neutrons sont extrêmement fragiles. "D'infimes imprécisions, vibrations, déplacements ou rotations du cristal détruisent l'effet", explique Hartmut Lemmel. "C'est pourquoi on usine généralement l'interféromètre entier à partir d'un seul cristal". Dans un cristal, tous les atomes sont connectés les uns aux autres et ont une relation spatiale fixe les uns par rapport aux autres - vous pouvez donc minimiser l'influence des perturbations externes sur l'onde neutronique.

Mais cette conception monolithique limite les possibilités, car les cristaux ne peuvent pas être fabriqués dans n'importe quelle taille. "Dans les années 1990, on a donc essayé de créer des interféromètres à neutrons à partir de deux cristaux qui pouvaient ensuite être positionnés à une plus grande distance l'un de l'autre", explique M. Lemmel, "mais sans succès. L'alignement des deux cristaux l'un par rapport à l'autre n'atteignait pas la précision requise."

Des exigences extrêmes en matière de précision

Les exigences en matière de précision sont extrêmes. Lorsqu'un cristal de l'interféromètre est déplacé d'un seul atome, la figure d'interférence se déplace d'une période complète. Si l'un des cristaux est tourné d'un angle de l'ordre du cent millionième de degré, la figure d'interférence est détruite. La précision angulaire requise correspond approximativement au tir d'une particule de Vienne à Grenoble et à la visée d'une tête d'épingle, à 900 kilomètres de distance - ou à la visée d'une plaque d'égout sur la Lune.

L'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) de Turin a fourni les technologies nécessaires, qu'il a développées pendant des décennies dans le domaine de l'interférométrie optique et à rayons X combinée. Les interféromètres à rayons X à balayage se composent également de cristaux de silicium séparés et sont tout aussi sensibles. La sensibilité au déplacement spatial d'un cristal a été utilisée à Turin pour déterminer la constante de réseau du silicium avec une précision sans précédent. Ce résultat a permis de compter les atomes d'une sphère de silicium macroscopique, de déterminer les constantes d'Avogadro et de Planck et de redéfinir le kilogramme.

"Bien que la précision requise soit encore plus sévère pour les neutrons, ce qui fonctionnait avec des interféromètres à rayons X à cristaux séparés devrait également fonctionner avec des interféromètres à neutrons à cristaux séparés", déclare Enrico Massa de l'INRIM.
Grâce à un interféromètre laser intégré supplémentaire, à l'amortissement des vibrations, à la stabilisation de la température et à la supervision par l'INRIM de l'assemblage et de l'alignement des cristaux, la collaboration a finalement réussi à détecter les interférences neutroniques dans un système de deux cristaux séparés.

Important pour la recherche fondamentale

"Il s'agit d'une percée importante pour l'interférométrie neutronique", déclare Michael Jentschel de l'ILL. "Parce que si vous pouvez contrôler deux cristaux suffisamment bien pour que l'interférométrie soit possible, vous pouvez également augmenter la distance et étendre la taille du système global assez facilement."

Pour de nombreuses expériences, cette taille totale détermine la précision que l'on peut atteindre dans la mesure. Il deviendra possible d'étudier les interactions fondamentales avec une précision sans précédent - par exemple, la sensibilité des neutrons à la gravité dans le régime quantique et aux nouvelles forces hypothétiques.

  • H. Lemmel, M. Jentschel, H. Abele, F. Lafont, B. Guerard, C.P. Sasso, G. Mana, E. Massa – Neutron interference from a split-crystal interferometer, J. Appl. Cryst. 55, (2022).

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