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Manuel de mécanique quantique d’un observateur curieux, pt. 2: Pot de fusion de particules

Une des révolutions les plus silencieuses Depuis notre siècle actuel, la mécanique quantique est entrée dans notre technologie quotidienne. Les effets quantiques étaient auparavant confinés aux laboratoires de physique et d’expériences microscopiques. Mais la technologie moderne repose de plus en plus sur la mécanique quantique pour ses processus fondamentaux, et les effets quantiques ne feront que gagner en importance dans les décennies à venir. En tant que tel, le physicien Miguel F.Morales a entrepris la tâche ardue d’expliquer la mécanique quantique au reste d’entre nous, gens ordinaires, dans cette série en sept parties (Pas de mathsOn promet). Voici la deuxième histoire de la série, mais vous pouvez toujours la trouver L’histoire commence ici.

Bienvenue à notre deuxième visite guidée de la jungle mécanique quantique! Nous l’avons vu la semaine dernière Comment les particules bougent comme des vagues et frappent comme des particules Et comment une seule particule emprunte plusieurs chemins. Bien que surprenant, il s’agit d’un domaine bien exploré de la mécanique quantique – il se trouve sur le chemin pavé naturel autour du centre des visiteurs.

Cette semaine, j’aimerais quitter le sentier pavé et plonger un peu plus profondément dans les bois pour parler de la façon dont les particules fusionnent et se rassemblent en mouvement. C’est un sujet habituellement réservé aux majors de physique; Il est rarement discuté dans les articles populaires. Mais le gain est de comprendre le fonctionnement du micro-lidar et de connaître l’une des grandes inventions du laboratoire, le peigne optique. Alors allons chercher nos bottes de randonnée (à manches) un peu sales – ça en vaudra la peine.

Jesseman

Commençons par une question: si les particules se déplacent comme des vagues, que se passe-t-il lorsque les chemins de deux particules se chevauchent? Ou disons autrement, les ondes de particules interagissent-elles uniquement avec elles-mêmes ou se mélangent-elles?

Agrandir / Sur la gauche se trouve l’interféromètre de la semaine dernière, dans lequel une particule est divisée par le premier miroir et emprunte deux chemins complètement différents. Sur la droite se trouve notre nouvelle configuration où nous commençons avec des molécules de deux lasers différents et les combinons.

Photo de Miguel Morales

Nous pouvons tester cela en laboratoire en modifiant le paramètre que nous avons utilisé la semaine dernière. Au lieu de diviser la lumière d’un seul laser en deux chemins, nous pouvons utiliser deux lasers séparés pour créer la lumière entrant dans le miroir semi-argenté final.

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Nous devons faire attention aux lasers que nous utilisons, et la qualité de votre pointeur laser n’est plus à la hauteur de la tâche. Si vous mesurez soigneusement la lumière d’un laser ordinaire, la couleur de la lumière et la phase de l’onde (lorsque les crêtes d’onde se produisent) errent. Cette fugue de couleur est floue à nos yeux – le laser semble toujours rouge – mais il s’avère que la nuance exacte du rouge varie. C’est un problème que l’argent et les nouvelles technologies peuvent résoudre – si nous dépensons suffisamment d’argent, nous pouvons acheter un laser de précision à position fermée. Grâce à ceux-ci, nous pouvons avoir deux lasers qui émettent des photons de la même couleur avec des pics d’onde équilibrés dans le temps.

Lorsque nous combinons la lumière de deux lasers de haute qualité, nous voyons exactement le même motif de rayures que nous avons vu auparavant. Les ondes de particules produites par deux lasers différents interagissent!

Alors, que se passe-t-il si nous retournons à la limite d’un photon unique? On peut baisser l’intensité des deux lasers pour voir apparaître les photons l’un après l’autre sur l’écran, comme de petites billes de peinture. Si le taux est suffisamment bas, un seul photon sera présent entre le laser et l’écran à la fois. Lorsque nous exécuterons cette expérience, nous verrons les photons arriver sur l’écran un par un. Mais quand nous regardons le surplomb du tableau de bord, nous verrons les mêmes lignes que nous avons vues la semaine dernière. Une fois de plus, nous voyons une seule interférence de la particule.

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Il s’avère que toutes les expériences que nous avons eues auparavant donnent exactement la même réponse. La nature ne se soucie pas de savoir si une particule interagit avec elle-même ou si deux particules interagissent l’une avec l’autre – une onde est une onde et les ondes de particules agissent comme les autres.

Mais maintenant que nous avons deux types de lasers de précision, nous avons un certain nombre de nouvelles expériences que nous pouvons essayer.

Deux couleurs

Tout d’abord, essayons d’interférer avec des photons de différentes couleurs. Prenons la couleur de l’un des lasers et rendons-le un peu plus bleu (longueur d’onde plus courte). Quand nous regardons l’écran, nous voyons à nouveau des lignes, mais maintenant les lignes vont lentement de côté. L’apparence et le mouvement des lignes sont intéressants.

Premièrement, le fait que nous voyons des lignes indique que des particules d’énergie différente interagissent toujours.

La deuxième observation est que le modèle planifié dépend maintenant du temps; Les rayures marchent sur le côté. Puisque nous agrandissons la différence de couleur entre les lasers, la vitesse des lignes augmente. Les musiciens du public reconnaîtront déjà le motif de bâton que nous voyons, mais avant d’en arriver à l’explication, peaufinons notre configuration expérimentale.

Si nous sommes satisfaits de l’utilisation de lasers étroits, nous pouvons utiliser un prisme pour incorporer des flux lumineux. Habituellement, un prisme est utilisé pour diviser un seul faisceau lumineux et envoyer chaque couleur dans une direction différente, mais nous pouvons l’utiliser à l’envers et avec un alignement fin, utiliser un prisme pour combiner la lumière de deux lasers en un seul faisceau.

Deux types de lumière laser de couleur différente avec prisme.  Après la publication
Agrandir / Deux types de lumière laser de couleur différente avec prisme. Après le prisme, la lumière “bat” fort.

Photo de Miguel Morales

Si nous regardons l’intensité du faisceau laser intégré, nous verrons l’intensité de la lumière “pulsée”. Alors que la lumière émise par chaque laser était constante, lorsque leurs faisceaux de couleurs légèrement différentes fusionnaient, le faisceau résultant oscillait de clair à sombre. Les musiciens apprendront cela en accordant leurs instruments. Lorsque le son d’un diapason est combiné avec le son d’une corde légèrement disharmonieuse, on peut entendre des “pulsations” alors que le son oscille entre fort et doux. La vitesse d’impulsion est la différence de fréquences et l’accord est ajusté en réglant la vitesse d’impulsion sur zéro (différence de fréquence nulle). Ici, nous voyons la même chose avec la lumière – la fréquence des impulsions est la différence de couleur entre les lasers.

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Bien que cela ait du sens quand on pense aux cordes d’une machine, c’est surprenant quand on pense aux photons. Nous avons commencé avec deux flux de lumière constants, mais maintenant, la lumière se regroupe à des moments où il fait clair et à des moments où il fait sombre. Puisque la différence entre les couleurs des lasers devient plus grande (désaccordée), plus l’impulsion devient rapide.

Paintballs juste à temps

Alors, que se passe-t-il si nous abaissons à nouveau le laser vraiment bas? Une fois de plus, nous voyons des photons frapper notre détecteur un par un comme de petites billes de peinture. Mais si nous regardons attentivement le moment de l’arrivée des photons, nous constatons qu’ils ne sont pas aléatoires – ils arrivent à temps avec les impulsions. Peu importe à quelle distance nous abaissons le laser – les photons peuvent être si rares qu’ils n’apparaissent qu’une fois toutes les 100 impulsions – mais ils arriveront toujours à temps avec les carillons.

Ce modèle est plus intéressant si nous comparons l’heure d’arrivée des photons dans cette expérience avec les lignes que nous avons vues avec notre pointeur laser la semaine dernière. Une façon de comprendre ce qui se passe dans l’expérience à deux fentes est de visualiser la nature ondulatoire de la mécanique quantique qui se dirige car les photons peuvent atterrir côte à côte: les billes de peinture peuvent frapper dans les zones lumineuses plutôt que dans les zones sombres. Nous voyons un schéma similaire dans l’arrivée des balles de peinture dans le pack bicolore, mais maintenant les balles de peinture sont dirigées vers l’avant et vers l’arrière au bon moment et ne peuvent frapper qu’à temps avec des battements. Les battements peuvent être considérés comme des stries dans le temps.

Delphine Perrault

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