Comment apprivoiser un cristal qui tourne express
Des centaines de toupies sont assises sur un manège. Chacune tourne sur elle-même, mais tout le manège tourne aussi. Le défi : toucher n'importe quelle toupie et faire pivoter son axe pendant qu'elle passe devant vous. Dans le monde quantique, ce manège est un cristal d'atomes chargés (ions) dans un piège de Penning — un dispositif où des champs électriques et magnétiques maintiennent les ions et les font tourner.
Auparavant, cette rotation d'ensemble était un obstacle : un faisceau laser essayant de contrôler un ion individuel ne pouvait tout simplement pas le suivre. Aujourd'hui, l'équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) a résolu le problème en faisant bouger le faisceau en synchronisation avec le cristal — comme une main qui attrape précisément le bon siège sur un manège. Le faisceau ne se contente pas d'éclairer : il décale les niveaux d'énergie de l'ion (c'est ce qu'on appelle le déplacement de Stark), faisant pivoter son spin quantique — l'équivalent de l'axe de la toupie — d'un angle donné.
Les tests ont montré que la précision de la rotation du spin à 180 degrés atteint 95 %, et l'effet sur les ions voisins n'est que de 2 %. C'est suffisant pour « dessiner » des motifs de spins sur le cristal. Par exemple, les physiciens ont créé une texture appelée « biskyrmion » — deux vortex de spins enroulés dans des directions opposées, comme un double tourbillon dans un lac plat. Et dans des cristaux à deux couches, ils ont réussi à traiter chaque couche séparément sans toucher à l'autre.
Désormais, le manège à toupies est devenu contrôlable. On peut non seulement définir des états initiaux complexes, mais aussi mesurer le spin dans deux directions simultanément au cours d'une même expérience — grâce à la méthode de Ramsey à double quadrature. Un seul coup d'œil au manège permet de connaître à la fois l'angle d'inclinaison de chaque toupie et sa vitesse de rotation.
Les ions de béryllium-9 dans l'expérience sont refroidis presque au zéro absolu, mais le cristal entier tourne à environ 180 000 tours par seconde — plus vite que le moteur d'une voiture de course.
Dans le roman de Greg Egan, « La Cité des permutants », les états quantiques des particules sont utilisés pour modéliser la conscience — de telles technologies de contrôle des spins rapprochent la création d'une matière quantique programmable.