L'avalanche quantique
L'université technique de Vienne a réussi à maintenir stable un système en fait très instable composé de nombreuses particules quantiques, puis à libérer son énergie en une seule fois de manière ciblée.
Ce sont des diamants très particuliers sur lesquels on travaille à l'université technique de Vienne : Leur réseau cristallin n'est pas parfaitement régulier, il contient de nombreux défauts. Aux endroits où se trouveraient deux atomes de carbone voisins dans un diamant parfait, il y a un atome d'azote, le deuxième emplacement restant libre. Les micro-ondes permettent de faire basculer ces défauts entre deux états différents - un état d'énergie supérieure et un état d'énergie inférieure. Cela en fait un outil intéressant pour différentes technologies quantiques, par exemple pour de nouveaux capteurs quantiques ou des composants pour ordinateurs quantiques.
On a maintenant réussi à contrôler ces défauts avec une telle précision qu'on peut déclencher un effet spectaculaire : Tous les défauts sont amenés dans un état de haute énergie, dans lequel ils restent un certain temps, jusqu'à ce que l'on libère toute l'énergie avec une minuscule impulsion micro-ondes et que tous les défauts passent simultanément dans un état de basse énergie - comme dans un champ de neige où une minuscule boule de neige déclenche une avalanche et où toute la masse de neige s'écrase simultanément dans la vallée.
Visualisation par ordinateur du résonateur à micro-ondes avec des puces supraconductrices et du diamant (noir). L'onde argentée représente l'avalanche quantique - l'émission soudaine d'une impulsion électromagnétique.
Spins atomiques et micro-ondes
"Les défauts du diamant ont un spin - un moment angulaire qui pointe soit vers le haut, soit vers le bas. Ce sont les deux états possibles dans lesquels ils peuvent se trouver", explique Wenzel Kersten, premier auteur de la publication actuelle, qui travaille actuellement sur sa thèse dans le groupe de recherche du professeur Jörg Schmiedmayer (Atominstitut, TU Wien).
A l'aide d'un champ magnétique, on peut faire en sorte que l'état "spin vers le haut", par exemple, corresponde à une énergie plus élevée que "spin vers le bas". Dans ce cas, la plupart des atomes se trouveront dans l'état "spin vers le bas" - ils tendent normalement vers l'état de basse énergie, comme une bille dans un bol qui roule normalement vers le bas.
Mais grâce à des astuces techniques sophistiquées, on peut créer ce que l'on appelle une "inversion" - on fait en sorte que les défauts se retrouvent tous dans l'état d'énergie supérieure. "On utilise pour cela un rayonnement micro-ondes qui amène d'abord les spins dans l'état souhaité, puis on modifie le champ magnétique extérieur de manière à ce que les spins soient en quelque sorte gelés dans cet état", explique le professeur Stefan Rotter (Institut de physique théorique, TU Wien), qui a dirigé la partie théorique du travail de recherche.
Une telle "inversion" est instable. Les atomes pourraient en principe changer spontanément d'état - un peu comme si l'on équilibrait un manche à balai, qui peut en principe basculer spontanément dans n'importe quelle direction. Mais l'équipe de recherche a pu montrer : Grâce à un contrôle extrêmement précis, rendu possible par la technologie des puces développée à l'Université technique de Vienne, il est possible de maintenir les spins des atomes stables pendant environ 20 millisecondes. "Pour des conditions de physique quantique, c'est un laps de temps énorme. C'est environ cent mille fois plus long que le temps qu'il faut pour créer cet état énergétique ou le décharger à nouveau. C'est comme si vous aviez une batterie de téléphone portable qui se charge en une heure et qui conserve ensuite toute son énergie pendant dix ans", explique Jörg Schmiedmayer.
Une cause minuscule - un grand effet
Pendant ce temps, on peut toutefois provoquer le changement d'état de manière ciblée - et ce par une cause très petite et faible, comme une impulsion micro-ondes d'intensité minimale. "Elle fait changer le spin d'un atome, ce qui fait que les atomes voisins changent également de spin - c'est ainsi que se produit un effet d'avalanche. Toute l'énergie est libérée, sous la forme d'une impulsion micro-ondes environ cent milliards de fois plus puissante que celle avec laquelle on a initialement déclenché l'effet", explique Stefan Rotter. "Proportionnellement, c'est comme si un seul flocon de neige déclenchait une plaque de neige de plusieurs centaines de tonnes".
Cela offre de nombreuses possibilités intéressantes : On peut par exemple amplifier de cette manière des impulsions électromagnétiques faibles, on pourrait utiliser cela pour des capteurs spéciaux, on peut fabriquer avec cela une sorte de "batterie quantique" qui permet de conserver une certaine quantité d'énergie au niveau quantique et de la libérer de manière ciblée.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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