Au cœur de la matière, certains phénomènes défient le bon sens. Rien, par exemple, n'interdit à une particule de se trouver à deux endroits différents en même temps. Avec des dispositifs expérimentaux et un « arsenal » mathématique d'une très grande finesse, les physiciens cherchent à comprendre ces différents états quantiques¹. C'est le cas, depuis quinze ans, du Laboratoire « Collisions, agrégats, réactivité » (LCAR)² de Toulouse, où les chercheurs viennent justement d'observer deux nouveaux phénomènes : une spirale toute particulière, dite de Cornu, décrite par un atome lorsqu'il est excité par une impulsion laser ultracourte, et un « nœud d'interférences » émis par une molécule. Retour sur deux avancées de premier ordre.

Place, tout d'abord, à la spirale de Cornu. Des travaux, publiés dans Physical Review Letters³, se sont intéressés à l'atome de rubidium, rebaptisé par l'équipe du LCAR⁴ le « spirographe quantique ». Pourquoi un tel surnom ? Au cours de leurs observations, les chercheurs ont mesuré (en amplitude et phase) l'évolution de l'état quantique de cet alcalin sur des temps ultracourts. Résultat ? Lorsque le rubidium interagit avec une impulsion laser, il décrit très rapidement… une spirale de Cornu. Principale caractéristique de celle-ci : à vitesse constante, sa courbure progresse de manière linéaire. On la retrouve dans les raccordements de voies de chemin de fer ou de bretelles d'autoroutes. « Nous pensons que ce comportement existe aussi lors d'une superposition d'états, quelle que soit l'impulsion », explique Bertrand Girard du LCAR. On perçoit alors l'importance de cette première observation.

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© IRSAMC

Lorsqu'un atome est excité, son état quantique évolue très vite. Il décrit une spirale de Cornu, représentée ici.

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Mais penchons-nous à présent sur le « nœud d'interférences ». L'iode, cette molécule présente dans l'eau de mer, est bien connue des physiciens : elle est facile à mettre en phase gazeuse et ses bandes d'absorption de la lumière sont proches de celles du visible, ce qui en fait un objet d'observation privilégié. Excitée à l'aide d'une impulsion laser très brève, l'iode se met à vibrer. Lorsque cette vibration se produit « longtemps », c'est-à-dire durant dix picosecondes⁵, le paquet d'ondes associé au mouvement se fragmente en deux faisceaux. Ceux-ci finissent par osciller en opposition et se croisent, donnant ainsi naissance à une interférence quantique. « Une seule et même onde se forme alors », a constaté Bertrand Girard. Conséquence : dans ce nœud d'interférences, les deux paquets ne peuvent plus être détectés séparément ! Pour réussir cette observation, le physicien – avec Chris Meier du LCAR et le groupe de Kenji Ohmori à l'Institute of Molecular Sciences (Japon) – a paramétré pendant un an la résolution spatiale et temporelle des impulsions laser traversant le jet de molécules d'iode. Cette précision expérimentale, publiée dans Science⁶ leur permet de recréer artificiellement des interférences quantiques, quelle que soit la molécule excitée.

À quoi bon comprendre et maîtriser ces phénomènes ? Cela permet tout simplement d'envisager le contrôle de réactions chimiques gazeuses ou liquides, tout autant que le traitement ultrarapide de l'information… Une « brique » du futur ordinateur quantique.

Aude Olivier