Après des décennies de tentatives infructueuses, les physiciens ont observé directement un phénomène physique exotique appelé l’effet Aharonov-Bohm non abélien. Ces découvertes pourraient conduire à la réalisation de ce que l’on appelle les phases topologiques et, à terme, à des avancées vers des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.
Pour confirmer la présence de champs de jauge non abéliens, Yang et al ont produit des motifs d’interférence (en haut) et une boucle de Wilson (en bas). Crédit image : Yang et al, doi : 10.1126/science.aay3183.
Les champs de jauge, qui décrivent les transformations que subissent les particules, sont cruciaux pour la compréhension et la manipulation des systèmes physiques.
Ces champs se divisent en deux classes : Abéliens, dans lesquels les effets mesurés sur un paramètre observable sont commutatifs ; et non abéliens, où la séquence dans laquelle le champ est appliqué importe.
L’effet Aharonov-Bohm, du nom des théoriciens qui l’ont prédit en 1959, a confirmé que les champs de jauge ont des conséquences physiques. Mais les observations ne fonctionnaient que dans les systèmes abéliens.
En 1975, Tai-Tsun Wu et Chen-Ning Yang ont généralisé l’effet au régime non abélien dans le cadre d’une expérience de pensée. Néanmoins, il n’était pas certain qu’il soit possible d’observer un jour l’effet dans un système non abélien.
Les physiciens manquaient de moyens pour créer l’effet en laboratoire, et manquaient également de moyens pour détecter l’effet même s’il pouvait être produit.
Aujourd’hui, ces deux énigmes ont été résolues et les observations ont été effectuées avec succès.
“Pratiquement tous les phénomènes physiques fondamentaux sont invariants dans le temps. Cela signifie que les détails de la façon dont les particules et les forces interagissent peuvent être avancés ou reculés dans le temps, et qu’un film sur le déroulement des événements peut être projeté dans les deux sens. Il n’y a donc aucun moyen de savoir quelle est la version réelle”, expliquent Yi Yang, étudiant diplômé du MIT, Bo Zhen, professeur à l’université de Pennsylvanie, et leurs collègues.
“Pour créer la version abélienne des effets Aharonov-Bohm, il faut briser la symétrie temporelle inverse, une tâche difficile en soi”, a ajouté Marin Soljacic, professeur au MIT.
“Mais pour réaliser la version non abélienne de l’effet, il faut briser ce renversement temporel plusieurs fois, et de différentes manières, ce qui constitue un défi encore plus grand.”
Pour produire l’effet, les physiciens utilisent la polarisation des photons. Ensuite, ils ont produit deux types différents de rupture de l’inversion temporelle.
Ils ont utilisé des fibres optiques pour produire deux types de champs de jauge qui affectent les phases géométriques des ondes optiques, d’abord en les envoyant à travers un cristal polarisé par de puissants champs magnétiques, et ensuite en les modulant avec des signaux électriques variant dans le temps, qui brisent tous deux la symétrie de renversement du temps.
Ils ont ensuite été en mesure de produire des modèles d’interférence qui ont révélé les différences dans la façon dont la lumière était affectée lorsqu’elle était envoyée à travers le système de fibre optique dans des directions opposées, dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse.
Sans la rupture de l’invariance temporelle, les faisceaux auraient dû être identiques, mais au lieu de cela, leurs diagrammes d’interférence ont révélé des ensembles spécifiques de différences comme prévu, démontrant les détails de l’effet insaisissable.
“La version originale, abélienne, de l’effet Aharonov-Bohm a été observée grâce à une série d’efforts expérimentaux, mais l’effet non abélien n’a pas été observé jusqu’à présent”, a déclaré Yang.
“Cette découverte nous permet de faire beaucoup de choses, ouvrant la porte à une grande variété d’expériences potentielles, y compris des régimes physiques classiques et quantiques, pour explorer les variations de l’effet.”
Les résultats apparaissent dans la revue Science.
