Un saut atomique pris sur le vif
Une expérience audacieuse décrit comment un atome change d’état. Elle sonde par là même les fondations de la mécanique quantique.
La mécanique quantique, la théorie qui décrit le monde microscopique des particules, aime bien jouer avec notre intuition et cultiver les paradoxes. Pêle-mêle et en simplifiant, elle autorise à passer par deux trous à la fois (dualité onde-corpuscule, en termes plus savants), à franchir les murs (effet tunnel), à créer des chats morts et vivants en même temps (superposition des états), à interagir instantanément à distance (intrication quantique), à téléporter des atomes… Et maintenant, grâce à une équipe de l’université de Yale, elle proclame mystérieusement que « l’absence de signal constitue le signal », selon les mots du responsable de cette équipe, Michel Devoret. « C’est joli de constater qu’en ne voyant rien on observe quelque chose, salue Jean-Michel Raimond, professeur émérite de Sorbonne Université, admiratif de ce travail publié dans Nature le 3 juin. Si j’écrivais un manuel scolaire, je mettrais cette expérience dedans ! » L’équipe américaine est arrivée à cette nouvelle étrangeté en voulant étaler au grand jour l’un des plus anciens mystères de cette théorie, le saut quantique. Cette propriété désigne le fait que, pour les particules, le monde n’est pas continu, mais discontinu. Un atome, pour gagner de l’énergie, ne peut le faire que par paquets, l’équivalent de monter des marches d’escalier plutôt qu’arpenter un plan incliné. D’où le nom d’ailleurs de « quantique » pour la théorie : une particule change d’état si l’énergie apportée est suffisante pour la faire monter directement d’une marche, sinon elle reste dans le même état. Mais si ces sauts quantiques existent bel et bien, permettant par exemple le phénomène du laser, longtemps la question s’est posée de savoir si ces sauts sont instantanés ou lents. A partir des années 1980, des équipes ont observé ces sauts, imprévisibles. L’équipe de Yale vient, elle, de filmer, à raison d’une image toutes les huit nanosecondes environ, un saut quantique qui dure deux microsecondes. Mieux, elle sait dire quand ce saut est en train d’avoir lieu, grâce à la technique dite du « chien des Baskerville », comme l’a baptisée Michel Devoret. Dans ce roman de Conan Doyle, Sherlock Holmes démasque le coupable de meurtres en constatant que le chien de la famille n’a pas aboyé lors des assassinats ; ce qui prouve que le meurtrier était de la famille. L’absence de signal apporte l’information. Un saut déterministe Dans l’expérience, « l’atome » a le choix de sauter de son niveau fondamental vers deux autres barreaux de l’échelle. L’un, instable, est dit brillant et fait que l’atome retombe immédiatement vers le repos en émettant de la lumière. L’autre, plus stable, dit sombre, peut durer une seconde avant de se désexciter vers le repos. Dans les détecteurs, l’absence de lumière pendant un certain temps est donc, selon les chercheurs, une preuve que l’atome est soit déjà sur le niveau sombre, soit en train de sauter. L’électronique rapide permet en outre, dans cette situation, de sonder à quoi ressemble l’atome, sorte de mélange quantique entre l’état sombre et l’état de repos. Au départ il est plus « repos » que « sombre », puis son caractère « sombre » grossit tandis que son côté « repos » diminue, jusqu’à disparaître totalement. Les chercheurs ont alors confirmé que le saut est continu, mais surtout déterministe : l’évolution du mélange des deux types est parfaitement prédite par une équation.