Dans une découverte révolutionnaire détaillée dans un article de la revue “The Journal”, des chercheurs ont créé des nœuds quantiques. Nature Physicsune équipe de physiciens de Finlande et des États-Unis a trouvé un moyen de créer des ondes solitaires nouées, ou solitons noués, dans un champ de mécanique quantique.
Structure topologique d’un soliton de nœud de mécanique quantique : l’anneau blanc est le cœur du soliton (champ dirigé vers le bas), et les bandes colorées qui l’entourent définissent un ensemble de tores imbriqués qui illustrent la structure liée de ses lignes de champ. La limite du nœud se trouve près des lignes gris foncé (champ pointant vers le haut). Crédit image : David Hall.
Les scientifiques ont longtemps prédit la possibilité de faire des nœuds dans les champs quantiques. Mais personne n’a été capable de fabriquer ou d’observer un nœud quantique en 3D, jusqu’à présent.
“Depuis des décennies, les physiciens prédisent théoriquement qu’il devrait être possible d’avoir des nœuds dans les champs quantiques, mais personne n’a été capable d’en faire un”, a déclaré le co-auteur, le professeur Mikko Möttönen, de l’Université Aalto.
“Maintenant que nous avons vu ces bêtes exotiques, nous sommes vraiment impatients d’étudier leurs propriétés particulières”, a-t-il ajouté.
“Fait important, notre découverte est liée à un ensemble diversifié de domaines de recherche, notamment la cosmologie, l’énergie de fusion et les ordinateurs quantiques.”
Pour faire cette découverte, le professeur Möttönen et ses collègues de l’Amherst College et de l’Université d’Aalto ont exposé un condensat de rubidium à des changements rapides d’un champ magnétique spécifiquement adapté, nouant le nœud en moins d’un millième de seconde.
“Nous avons d’abord refroidi un gaz d’atomes de rubidium jusqu’à des milliardièmes de degré au-dessus de zéro, ce qui l’a transformé en superfluide – un environnement minuscule et bien ordonné dans lequel ces objets semblables à des particules peuvent exister”, a expliqué le professeur David Hall de l’Amherst College, qui est l’auteur principal de l’étude.
“Nous avons ensuite exposé le superfluide à un changement rapide d’un champ magnétique spécifiquement adapté, qui a noué le nœud en moins d’un millième de seconde.”
Les nœuds sont définis mathématiquement comme des courbes fermées dans l’espace 3D. Un soliton de nœud est constitué d’un nombre infini d’anneaux, chacun étant relié à tous les autres pour générer une structure toroïdale.
Des expériences précédentes ont identifié des solitons en une et deux dimensions, mais les solitons de nœuds créés par l’équipe existent dans les trois dimensions spatiales.
“Ce que nous voyons est un véritable objet 3D”, a déclaré le professeur Hall.
Les nœuds existent dans une minuscule gouttelette de superfluide qui est à peine visible à l’œil humain. Le nœud lui-même fait moins de 10 microns de diamètre.
“L’étape suivante consiste à voir ce que ces nœuds quantiques peuvent faire. Maintenant que nous avons créé ces particules, nous pouvons commencer à les expérimenter et à étudier leurs propriétés”, a déclaré le professeur Hall.
“C’est le début de l’histoire des nœuds quantiques. Il serait formidable de voir apparaître des nœuds quantiques encore plus sophistiqués, comme ceux avec des noyaux noués”, a ajouté le professeur Möttönen.
“Il serait également important de créer ces nœuds dans des conditions où l’état de la matière quantique serait intrinsèquement stable. Un tel système permettrait d’étudier en détail la stabilité du nœud lui-même.”
