Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit collectif, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt l'assistance. Le monde quantique fonctionne de la même manière : les atomes piégés peuvent se comporter comme un tout cohérent ou se disperser en individus indépendants. Distinguer cette synchronisation jusqu'au dernier atome est longtemps resté hors de portée — les microscopes montraient où se trouvaient les particules, mais pas comment leurs oscillations étaient corrélées. Le nouvel instrument va plus loin.

Un microscope quantique à gaz ordinaire prend une image où l'on voit les atomes individuels dans les sites d'un réseau lumineux. Mais une telle image ne montre pas si les atomes oscillent en phase. Les physiciens de Harvard, dirigés par Markus Greiner, ont imaginé une astuce : ils éteignent le réseau, laissent les atomes se propager librement pendant 29 microsecondes, puis le rallument. Pendant ce court laps de temps, les atomes qui se déplaçaient de manière cohérente ont le temps de « s'accorder » sur la façon de se répartir entre les sites. En faisant varier la phase du réseau rallumé, les expérimentateurs font apparaître cet accord sous la forme d'une modulation de densité. Plus la modulation est forte, plus la cohérence est élevée.

La méthode a été testée sur un nuage d'atomes d'erbium confiné dans une couche bidimensionnelle d'un réseau tridimensionnel. Au centre du nuage, où les atomes sont étroitement empilés, un par site, la cohérence chutait brusquement lorsque l'interaction entre atomes augmentait. C'est la transition classique de la superfluidité vers l'isolant de Mott — un état où chaque atome est piégé dans sa propre cellule. Mais sur les bords du nuage, où les atomes sont moins nombreux et plus libres, la cohérence persistait même en cas d'interaction forte. Dans un même nuage coexistaient deux phases quantiques distinctes — et le nouveau microscope les a vues séparément.

Les physiciens ne se sont pas arrêtés là. Ils ont assemblé une « échelle » d'atomes — deux chaînes parallèles reliées par des barreaux. En activant l'effet tunnel entre les chaînes, ils ont observé la cohérence s'étendre aux seconds voisins. Ce n'est plus seulement de l'ordre à courte portée, mais une indication de corrélations à plus longue distance — ce qui distingue un véritable liquide quantique d'un simple ensemble de paires.

Auparavant, on jugeait de la cohérence par des valeurs moyennes, en moyennant sur tout le nuage. Désormais, on peut examiner chaque site et voir où l'ordre existe et où il n'existe pas. Pour les simulateurs quantiques, c'est comme passer d'un thermomètre qui donne la température moyenne de l'hôpital à une caméra thermique qui voit chaque foyer. La prochaine étape consiste à appliquer le microscope aux gaz fermioniques et aux systèmes à topologie non triviale, où la cohérence locale pourrait receler les clés de nouveaux états de la matière.