interférométrie moléculaire

Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres.

La nuit, au sommet d'un volcan, six télescopes observent le même point de lumière. Chacun capture sa propre copie de l'onde, et si l'on combine leurs signaux, on obtient une image qu'aucun instrument seul ne pourrait produire. Mais il y a un piège : la lumière captée par différentes stations ne peut pas simplement être additionnée comme des photographies.

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

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.

Le monde quantique aime l'équilibre. Lorsqu'on force une particule massive à se dédoubler — à suivre deux chemins à la fois — quelque chose doit bouger en retour. Ce « quelque chose », c'est l'appareil lui-même qui a séparé la particule.

Jetez deux cailloux dans un étang en même temps : les ondulations se propagent de manière régulière et coordonnée. C'est le principe de l'interféromètre quantique : on divise une particule en deux ondes qui suivent des chemins différents puis se rejoignent. Idéalement, leurs crêtes coïncident.

Même au repos complet, les atomes émettent un faible bruit — un frémissement quantique inévitable. Dans le débat entre Einstein et Bohr, ce bruit, tel un murmure incessant, estompe les franges d'interférence de la fente atomique. Franchir cette limite semblait impossible.

Un tourbillon de café peut s'étendre sur deux endroits dans une tasse – un flou de liquide tourbillonnant. Les particules quantiques se comportent de manière similaire : un tourbillon d'espace-temps où elles existent à deux endroits à la fois. Mais la gravité agit comme la cuillère qui remue le tissu de l'espace et du temps.

La lumière du soleil frappe une plaquette de silicium – et un courant apparaît dans le circuit. C'est le fonctionnement habituel d'une cellule photovoltaïque : la lumière arrache des électrons, et la jonction p-n (la frontière entre deux couches de conductivités différentes) les force à se déplacer dans une même direction.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

Un faisceau laser frappe un atome, et l'électron est arraché. Il accélère, revient, et en heurtant l'atome, émet un éclair de lumière — une harmonique. Si les faisceaux lumineux sont deux et qu'ils se croisent comme à un carrefour, l'électron peut choisir différents itinéraires.

Un gardien doit vérifier cinq pièces, mais il ne peut pas entrer. Il frappe à la porte et écoute : le silence signifie que quelqu'un est à l'intérieur, tandis que l'écho indique que la pièce est vide.

Galilée, selon la légende, aurait lancé des boules depuis la tour de Pise pour prouver que les corps lourds et légers tombent à la même vitesse. Cette loi est devenue le fondement de la théorie de la gravitation d'Einstein. Aujourd'hui, les scientifiques ont transformé une station spatiale entière en une telle tour.

Quand un avion amorce son atterrissage ou qu'un sous-marin navigue à l'aveugle, le navigateur a besoin d'un instrument qui ne perd pas le fil du mouvement. Les gyroscopes à ondes atomiques sont très précis, mais ils ont un caprice : le signal se répète comme un motif sur du papier peint, et après un demi-pas, le motif semble identique. L'instrument ne sait plus où il en est.

En général, le courant électrique est identique dans les deux sens, comme l'eau dans un tuyau droit. Mais à la frontière entre un métal ordinaire et un supraconducteur, cette règle est brisée. Deux vagues sur l'eau, contournant un obstacle large par des côtés opposés, peuvent arriver avec des retards différents et se rencontrer « en décalage ».

Un diapason répond à une fissure par un son sourd. Un principe similaire est appliqué dans l'expérience : des physiciens ont transformé des molécules en un diapason ultra-sensible pour entendre l'asymétrie de l'électron.

La lumière d'une molécule unique, c'est comme une voix solitaire dans un immense chœur. Pour l'entendre, il ne faut pas un microphone, mais un instrument subtil qui capture chaque photon et note l'heure de son arrivée.

Jetez deux cailloux dans un étang : chacun produit des ondulations, et à la surface de l'eau apparaissent des crêtes là où les vagues se renforcent et des creux là où elles s'annulent. Les protons se comportent à peu près de la même manière : lorsqu'ils sont deux, ils créent une double ondulation qui se compose en un motif reconnaissable.

On peut faire en sorte que la lumière d'une même source « se rencontre » elle-même, et alors des franges apparaissent sur l'écran, comme les ondulations provoquées par deux cailloux jetés dans l'eau.

Une particule quantique peut se trouver à deux endroits à la fois, mais jamais un objet macroscopique. La faute aux perturbations qui transforment l'ordre en chaos et augmentent l'entropie ?

Sur une table optique ordinaire, parmi les lasers et les miroirs, un nuage de cent atomes de strontium-87 commence à vivre selon les lois d'un espace-temps courbe. Après une demi-seconde, son interférence quantique s'éteint : la dilatation du temps gravitationnelle détruit la superposition.

En 1963, un écolier tanzanien, Erasto Mpemba, a remarqué que la crème glacée chaude gèle plus vite que la froide. Ce paradoxe, qui porte son nom, a longtemps alimenté les débats en thermodynamique classique. Aujourd'hui, le monde quantique propose sa propre version : un état dont la symétrie est plus fortement brisée peut la rétablir plus vite qu'un état moins brisé.

Six ions baryum s'alignent en un hexagone plat à l'intérieur d'un piège de Paul, un dispositif qui maintient des particules chargées grâce à des champs électriques variables.

Entendre un signal micro-onde ultra-faible, c'est comme essayer de distinguer un murmure dans une tempête. Les atomes de Rydberg, gonflés jusqu'à la taille de bactéries, promettent de devenir des antennes idéales.

Niels Bohr insistait : on ne peut pas savoir à la fois par quel chemin est passé un photon et observer des interférences. Longtemps, cela a été considéré comme une limite de la connaissance — on pensait simplement ne pas pouvoir obtenir les deux types d'information en même temps.