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Manuel de mécanique quantique d’un observateur curieux, pt. 5: Attraper une vague

Aurick Lawson / Getty Images

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 pris la tâche ardue d’expliquer la mécanique quantique aux gens ordinaires dans cette série en sept parties (Nous vous promettons pas de mathématiques). Voici la cinquième histoire de la série, mais vous pouvez toujours la trouver Début de l’histoire Plus que Page de destination pour toute la série jusqu’à présent Actif.

Chanté sur les lignes du monastère enMaria” de la part de son de la musique:

“Comment attraper une vague comme Maria? Comment tenir un nuage et le maintenir en place? Oh, comment résolvez-vous une particule comme Maria? Comment tenez-vous le rayon de lune dans votre main?”

Au cours de nos voyages d’exploration dans le désert quantique jusqu’à présent, nous avons vu à la fois des terres et des particules libres. Mais la plupart des particules passent leur vie dans des conditions plus restreintes: des électrons piégés dans les bras des noyaux, des atomes liés dans des molécules ou des lignes ordonnées de cristaux. Le confinement n’est pas nécessairement une mauvaise chose – seules les cordes étroitement liées à un instrument de musique peuvent faire de la musique.

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Lors de la randonnée d’aujourd’hui dans le bois de mécanique quantique, nous tiendrons des pièges pour voir comment les particules se comportent lorsqu’elles sont piégées. (Puisque les espèces sont délicates, nous les traiterons avec gentillesse et les mettrons au feu lorsque nous aurons terminé.) Dans ce processus, nous explorerons l’origine des spectres d’émission des étoiles et rencontrerons des atomes artificiels et des points quantiques, qui jouent un rôle de pionnier dans de l’informatique quantique à la télévision grand public.

Pourquoi l’oiseau chante-t-il dans une cage

Comme nous l’avons vu à maintes reprises, toutes les particules se déplacent comme des vagues. Mais que se passe-t-il quand on piège une vague? Comment le comportement d’une particule change-t-il lorsque nous la bloquons?

Un bon exemple quotidien d’une onde piégée est l’accord de guitare. Avant d’être attachée à la guitare, la corde peut vibrer de quelque manière que ce soit. Vagues rapides, vagues lentes – tous les types de vagues sont possibles. Mais lorsque nous accrochons et pincons la corde à une guitare, l’onde résultante est piégée par les extrémités de connexion de la guitare. La vague peut rebondir entre les extrémités, mais elle ne peut pas s’échapper.

On a piégé les vagues d'un accord de guitare.  Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du coin supérieur gauche se trouvent l'harmonique primaire, la deuxième harmonique et la troisième harmonique à chaîne ouverte.  Seules les ondes qui s'insèrent précisément dans le piège sont autorisées, et l'augmentation de la fréquence est associée à une énergie plus élevée (ton plus élevé).  On peut également raccourcir le trap en utilisant l'une des frettes de guitare, qui change la fréquence fondamentale (en bas à gauche) et toutes les harmoniques.
Agrandir / On a piégé les vagues d’un accord de guitare. Dans le sens des aiguilles d’une montre à partir du coin supérieur gauche se trouvent l’harmonique primaire, la deuxième harmonique et la troisième harmonique à chaîne ouverte. Seules les ondes qui s’insèrent précisément dans le piège sont autorisées, et l’augmentation de la fréquence est associée à une énergie plus élevée (ton plus élevé). On peut également raccourcir le trap en utilisant l’une des frettes de guitare, qui change la fréquence fondamentale (en bas à gauche) et toutes les harmoniques.

Photo de Miguel Morales

Comme le montre le graphique ci-dessus, certaines combinaisons d’ondes (harmoniques) sont autorisées, mais seules des ondes de longueur correcte sont possibles. Lorsque la vague nous entourait, nous passions de toute observation possible à un état où seules les ondes qui entraient dans le piège – et les observations qui y correspondaient – pouvaient exister. En d’autres termes, les accords de guitare sont cela implique Piège. Et quand on met un doigt sur les frettes pour changer la taille du piège, la taille des ondes qui lui correspondent change, et les notes que l’on entend changent.

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Nous pouvons voir la même chose se produire avec les électrons. En 1993, Don Eagler et ses collègues ont créé un piège électronique en plaçant 48 atomes de fer dans un anneau sur une plaque de cuivre. L’anneau composé d’atomes de fer crée un abri quantique – un piège électronique circulaire. Lors de l’imagerie avec un microscope à effet tunnel, l’onde électronique piégée peut être vue clairement à l’intérieur de l’anneau d’atomes de fer.

Un corral circulaire composé de 48 atomes de fer (pics acérés) sur une plaque de cuivre.  La vague d'un électron piégé à l'intérieur du pli est clairement visible.
Agrandir / Un corral circulaire composé de 48 atomes de fer (pics acérés) sur une plaque de cuivre. La vague d’un électron piégé à l’intérieur du pli est clairement visible.

Parce que les particules se déplacent comme des ondes, elles réagissent comme tout autre type d’onde lorsqu’elles sont détectées – elles chantent une note musicale spécifique. L’électron dans la chambre quantique est similaire aux vibrations de la tête de tambour. Ce n’est pas un hasard: le cylindre crée également un piège circulaire pour les ondes similaire à la chambre quantique. L’observation que les particules quantiques capturent certaines observations lorsqu’elles sont piégées est le résultat de se déplacer comme des ondes. Ainsi, en capturant les ondes de particules, nous pouvons faire de la musique.

Delphine Perrault

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