Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit d'ensemble, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt la salle. Le monde quantique fonctionne de manière similaire : les atomes dans un piège peuvent se comporter comme un tout, ou se disperser en individus indépendants. Observer cette synchronisation jusqu'au dernier atome est resté longtemps impossible – les microscopes montraient seulement où se trouvaient les particules, mais pas comment leurs oscillations étaient coordonnées. Le nouvel outil va plus loin.
Les physiciens éteignent le réseau de lumière qui maintient les atomes en place. Les atomes se dispersent, comme une foule après un concert. Après 29 microsecondes, le réseau est rallumé – et l'on observe comment les atomes se réinstallent. Si, avant l'extinction, ils se déplaçaient de manière coordonnée, ils ne reprennent pas leur place au hasard, mais selon un motif précis. Ce motif révèle la cohérence quantique – la capacité des particules à agir de concert.
La méthode a été testée sur des atomes d'erbium. Au centre du nuage, où les atomes sont densément tassés, la cohérence disparaissait lorsque l'interaction augmentait. Sur les bords, où les atomes sont plus libres, elle persistait. Dans un même nuage coexistaient deux états différents – et le nouveau microscope les a vus séparément. Auparavant, c'était impossible : les mesures étaient moyennées sur l'ensemble du nuage, et les détails se perdaient.
L'effet Talbot, utilisé ici, a été décrit par Henry Fox Talbot en 1836 pour la lumière traversant un réseau. Aujourd'hui, il aide à observer les gaz quantiques avec une précision d'un atome.