Un excellent moyen de mesurer la constante de structure fine

La source lumineuse (à gauche) envoie un faisceau de lumière à travers un matériau spécial, qui modifie la direction de polarisation – à un angle obtenu par la constante de structure fine. Crédit : Tatiana Lysenko/TU Wien

La constante de structure fine est une constante fondamentale de la nature et sa mesure est cruciale en physique. Récemment, des chercheurs de TU Wien ont découvert un moyen unique de le mesurer.

La valeur de un sur 137, également connue sous le nom de constante de structure fine, est un nombre important en physique. Il joue un rôle important dans la physique des atomes et des particules.

Alors que la constante de structure fine est traditionnellement mesurée indirectement par des calculs et des mesures d’autres grandeurs physiques, selon les chercheurs. TU Vienne Ils ont développé une expérience qui permet de mesurer directement la constante de structure fine en forme d’angle.

1/137 – Le Code Secret de l’Univers

La constante de structure fine décrit la force de l’interaction électromagnétique. Fait référence à la façon dont les particules fortement chargées telles que les électrons interagissent avec les champs électromagnétiques. Si la constante de structure fine avait une valeur différente, notre univers serait complètement différent – les atomes auraient une taille différente, donc toute la chimie fonctionnerait différemment, et la fusion nucléaire dans les étoiles serait également très différente.

Une question très discutée est de savoir si la constante de structure fine est vraiment constante ou si elle pourrait changer légèrement sa valeur sur des milliards d’années.

Des mesures directes plutôt que des calculs

« La plupart des constantes physiques les plus importantes ont une unité spécifique – par exemple, la vitesse de la lumière, qui peut être donnée en mètres par seconde », explique le professeur Andrei Pimenov de l’Institut de physique du solide de la TU Wien. « C’est différent avec la constante de structure fine. Elle n’a pas d’unité, c’est juste un nombre – sans dimension. »

Mais généralement, lorsque la structure fine est mesurée, différentes quantités doivent être mesurées dans différentes unités physiques, puis la valeur de la constante de structure fine est déduite de ces résultats. « D’après notre expérience, en revanche, la constante de structure fine elle-même devient directement visible », explique Andrei Pimenov.

Un film fin qui fait circuler la lumière

Le faisceau laser est polarisé linéairement – la lumière oscille exactement dans le sens vertical. Ensuite, le faisceau frappe une couche d’un matériau spécial de quelques nanomètres d’épaisseur seulement. Cette substance a la propriété de changer la direction de polarisation de la lumière.

« Le matériau entourant la polarisation d’un faisceau laser n’est pas en soi quelque chose d’inhabituel. Différents matériaux peuvent le faire ; plus la couche de matériau est épaisse, plus la polarisation du laser est grande. Mais nous avons affaire à un effet complètement différent ici », explique Andrei Pimenov. « Dans notre cas, la polarisation ne tourne pas en permanence, elle saute. »

Lors de la traversée du film mince, la direction de polarisation de la lumière provoque un saut quantique. Après l’avoir traversé, l’onde lumineuse oscille dans une direction différente qu’auparavant. Et lorsque l’ampleur de ce saut est calculée, un résultat étonnant apparaît : la quantité de ce changement angulaire est exactement la constante de structure fine.

« Nous avons donc un accès direct à quelque chose d’assez extraordinaire : la quantité d’effets », explique Andrei Pimenov. « La constante de structure fine devient immédiatement visible sous la forme d’un angle. »

Référence : « Global Spin Scale via Quantum Anomalous Hall Effect » par Alexey Shuvaev, Li Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang et Andrei Pimenov, 7 novembre 2022, disponible ici. Lettres de physique appliquée.
doi : 10.1063/5.0105159