Tout le monde connaît le principe : on pince une corde de guitare, elle vibre, puis s’arrête peu à peu. Idem pour une balançoire qui finit par se calmer quand l’enfant est descendu. En physique, on appelle ça un « oscillateur harmonique amorti ». Mais que se passe-t-il quand on passe de la balançoire à l’atome ? Là, les règles changent. Impossible, par exemple, de connaître en même temps avec précision la position et la vitesse d’une particule, comme l’a posé le fameux principe d’incertitude d’Heisenberg que tout le monde connait bien sûr.
Une corde de guitare dans le monde des atomes
C’est sur cette frontière entre physique classique et quantique que le professeur Dennis Clougherty et son étudiant Nam Dinh ont travaillé. Leur étude, publiée début juillet, montre qu’il est enfin possible de décrire précisément le comportement d’un « oscillateur quantique amorti » : un atome qui vibre et perd peu à peu son énergie, comme une mini-corde de guitare.
L’idée n’est pas nouvelle : dès 1900, le physicien britannique Horace Lamb avait imaginé un modèle pour expliquer comment une particule en vibration transfère son énergie au matériau environnant. Mais à l’époque, la mécanique quantique n’existait pas encore.
En réinterprétant ce modèle avec les outils modernes, Clougherty et Dinh ont trouvé la formule qui manquait. Pour simplifier, ils ont réussi à écrire les équations de telle manière que la vibration de l’atome puisse être suivie sans violer le principe d’incertitude. Cela passe par une pirouette mathématique au nom barbare – la transformation de Bogoliubov multimode – qui permet de reformuler le problème et de montrer que tout colle. Résultat : un atome qui se comporte comme une corde, mais à l’échelle de l’infiniment petit.
Pourquoi est-ce important ? Parce que cette découverte pourrait déboucher sur de nouveaux capteurs ultra-précis. En réduisant l’incertitude sur la position d’un atome, il devient possible de mesurer des distances avec une finesse jamais atteinte. Un procédé similaire avait déjà permis de détecter les ondes gravitationnelles en 2015, une prouesse saluée par le prix Nobel de physique. Cette fois, les chercheurs ouvrent le chemin à des outils capables de mesurer des mouvements minuscules, bien en dessous de ce que la physique permettait jusque-là.
Difficile de dire exactement à quoi cela servira demain : peut-être à mettre au point des instruments de mesure révolutionnaires, ou à améliorer certaines technologies quantiques. La petite corde de guitare quantique vient en tout cas de livrer un de ses secrets !
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