La queue quantique de la désintégration : comment la mémoire de la naissance dépend de la couleur ✛
Un système quantique, une fois né, ne l'oublie pas. Même après des dizaines de durées de vie, il reste dans sa désintégration une trace de l'état initial : une queue en loi de puissance qui décroît lentement. Pour deux colorants fluorescents, l'érythrosine B et l'éosine Y, cette queue a pu être observée pour la première fois dans deux canaux spectraux à la fois. Il s'avère que différentes couleurs s'atténuent différemment, mais le rythme général est donné par un seul chef d'orchestre : une durée de vie unique.
L'expérience sur un microscope confocal inversé Nikon Eclipse Ti-E avec un laser picoseconde (438 nm) a collecté la fluorescence via deux détecteurs hybrides PicoQuant PMA Hybrid 40. Des filtres passe-bande de 520/35 nm et 600/50 nm ont séparé la lumière en deux canaux. Pour l'érythrosine B, la durée de vie était de 0.448 ns dans les deux canaux, tandis que les exposants β différaient : 1.559±0.014 et 2.019±0.017. L'éosine Y a montré un schéma similaire : τ = 1.054 ns, β = 1.512±0.019 et 1.845±0.051. La queue en loi de puissance apparaissait après environ 10 durées de vie. Le modèle à deux exponentielles n'a pas pu décrire les données, tandis que l'exponentielle plus la loi de puissance s'ajustait beaucoup mieux.
Le modèle théorique avec une densité spectrale seuil de la forme ρ(E) ∝ (E−Eth)^γ avec γ<0 reproduit les β observés dans la gamme 1<β<3. L'analyse multicanal montre que les intensités tardives des canaux se comportent comme $t^{-(2γ_{i+3})}$ pour un canal et $t^{-(γ_1+γ_{2+3})}$ pour l'autre, ce qui explique la différence des exposants. Auparavant, de tels écarts n'étaient vus que dans un seul canal ; maintenant il est clair que la mémoire de la naissance est répartie inégalement entre les canaux.
Ce résultat change la compréhension des étapes tardives de la désintégration en physique moléculaire, en physique nucléaire et en physique des particules élémentaires. On peut désormais vérifier les oscillations prédites dans la densité spectrale à haute résolution temporelle, étudier l'influence des conditions de préparation de l'état sur la forme de la queue et étendre l'approche à l'effet tunnel quantique. Pour la pratique, cela signifie un étalonnage plus précis des mesures de fluorescence en biologie et en chimie, où les temps tardifs sont importants.
La queue en loi de puissance tardive signifie que le système quantique se souvient du moment de sa naissance même après des dizaines de durées de vie. Dans l'expérience, le comptage des photons a duré jusqu'à 95 nanosecondes, ce qui correspond à environ 200 durées de vie pour l'érythrosine B.
Dans le roman de Stanislas Lem « Solaris », l'océan manifeste la mémoire du passé sous des formes inattendues. Ici, le système quantique garde aussi la mémoire du moment de la naissance, mais la manifeste dans la queue en loi de puissance de la désintégration, qui dépend du canal.