Les noyaux atomiques dans le swing quantique – Technoguide

Des horloges atomiques à la communication sécurisée en passant par les ordinateurs quantiques: ces développements reposent sur un contrôle de plus en plus meilleur du comportement quantique des électrons dans les coquilles atomiques à l’aide de la lumière laser. Aujourd’hui, pour la première fois, des physiciens de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg ont réussi à contrôler avec précision les sauts quantiques dans les noyaux atomiques en utilisant la lumière des rayons X. Par rapport aux systèmes électroniques, les sauts quantiques nucléaires sont extrêmes – avec des énergies jusqu’à des millions de fois plus élevées et des processus de zeptoseconde incroyablement courts. Une zeptoseconde équivaut à un billionième de milliardième de seconde. Les récompenses incluent une connaissance approfondie du monde quantique, des horloges nucléaires ultra-précises et des batteries nucléaires avec une énorme capacité de stockage. L’expérience a nécessité une installation sophistiquée de flash à rayons X développée par un groupe Heidelberg dirigé par Jörg Evers dans le cadre d’une collaboration internationale.

L’un des grands succès de la physique moderne est le contrôle de plus en plus précis des processus quantiques dynamiques. Il permet une compréhension plus approfondie du monde quantique avec toutes ses bizarreries et est également une force motrice des nouvelles technologies quantiques. Mais du point de vue des atomes, le «contrôle cohérent» est jusqu’à présent resté superficiel: c’est le saut quantique des électrons dans la coquille externe des atomes qui est devenu de plus en plus contrôlable par les lasers. Mais comme l’explique Christoph Keitel, les noyaux atomiques eux-mêmes sont également des systèmes quantiques dans lesquels les blocs de construction nucléaires peuvent faire des sauts quantiques entre différents états quantiques.

Sauts quantiques riches en énergie pour les batteries nucléaires

«En plus de cette analogie avec les couches d’électrons, il existe d’énormes différences», explique le directeur de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg: «Ils nous ont tellement excités! Les sauts quantiques entre différents états quantiques sont en fait des sauts sur une sorte d’échelle d’énergie. «Et les énergies de ces sauts quantiques sont souvent six ordres de grandeur plus élevées que dans la couche électronique», explique Keitel. Un seul saut quantique effectué par un composant nucléaire peut ainsi y pomper jusqu’à un million de fois plus d’énergie – ou le faire ressortir à nouveau. Cela a donné naissance à l’idée de batteries nucléaires d’une capacité de stockage sans précédent.

Ces applications techniques sont encore des visions du futur. Pour le moment, la recherche consiste à aborder et contrôler ces sauts quantiques de manière ciblée. Cela nécessite une lumière à rayons X à haute énergie contrôlée avec précision. L’équipe d’Heidelberg travaille sur une telle technique expérimentale depuis plus de 10 ans. Il a maintenant été utilisé pour la première fois.

Des fréquences précises permettent des horloges atomiques ultra-précises

Les états quantiques des noyaux atomiques offrent un autre avantage important par rapport aux états électroniques. Par rapport aux sauts quantiques électroniques, ils sont beaucoup plus définis. Parce que cela se traduit directement par des fréquences plus précises selon les lois de la physique, elles peuvent, en principe, être utilisées pour des mesures extrêmement précises. Par exemple, cela pourrait permettre le développement d’horloges nucléaires ultra-précises qui donneraient aux horloges atomiques d’aujourd’hui l’apparence d’horloges à pendule désuètes. En plus des applications techniques de ces horloges (par exemple dans la navigation), elles pourraient être utilisées pour examiner beaucoup plus précisément les principes fondamentaux de la physique actuelle. Cela inclut la question fondamentale de savoir si les constantes de la nature sont vraiment constantes. Cependant, de telles techniques de précision nécessitent le contrôle des transitions quantiques dans les noyaux.

Des flashs lumineux coordonnés améliorent ou réduisent l’excitation

Le principe de la technique expérimentale de Heidelberg semble assez simple au premier abord. Il utilise des impulsions (c’est-à-dire des flashs) de rayons X à haute énergie, actuellement fournis par la source européenne de rayonnement synchrotron ESRF à Grenoble. L’expérience divise ces impulsions de rayons X dans un premier échantillon de telle sorte qu’une seconde impulsion suit le reste de la première impulsion avec un retard temporel. L’un après l’autre, tous deux rencontrent un deuxième échantillon, objet réel de l’enquête.

La première impulsion est très brève et contient un large mélange de fréquences. Comme un coup de fusil de chasse, il stimule un saut quantique dans les noyaux; dans la première expérience, il s’agissait d’un état quantique spécial dans les noyaux d’atomes de fer. La deuxième impulsion est beaucoup plus longue et a une énergie qui est précisément réglée sur le saut quantique. De cette manière, il peut manipuler spécifiquement la dynamique quantique déclenchée par l’impulsion 1. L’intervalle de temps entre les deux impulsions peut être ajusté. Cela permet à l’équipe d’ajuster si la deuxième impulsion est plus constructive ou destructrice pour l’état quantique.

Les physiciens de Heidelberg comparent ce mécanisme de contrôle à un swing. Avec la première impulsion, vous la poussez. En fonction de la phase de son oscillation dans laquelle vous lui donnez une seconde poussée, il oscille encore plus fort ou est ralenti.

Contrôle du pouls précis à quelques zeptosecondes

Mais ce qui semble simple est un défi technique qui a nécessité des années de recherche. Un changement contrôlé de la dynamique quantique d’un noyau atomique nécessite que le retard de la deuxième impulsion soit stable sur l’échelle de temps incroyablement courte de quelques zeptosecondes. Parce que ce n’est qu’alors que les deux impulsions fonctionnent ensemble de manière contrôlante.

Une zeptoseconde équivaut à un billionième de milliardième de seconde – ou un point décimal suivi de 20 zéros et d’un 1. En une zeptoseconde, la lumière ne parvient même pas à traverser 1% d’un atome de taille moyenne. Comment pouvez-vous imaginer cela par rapport à notre monde? «Si vous imaginez qu’un atome était aussi gros que la Terre, ce serait environ 50 km, dit Jörg Evers, qui a initié le projet.

L’échantillon est décalé de 45 trillionièmes de mètre

La deuxième impulsion de rayons X est retardée par un petit déplacement du premier échantillon, contenant également des noyaux de fer avec la transition quantique appropriée. “Les noyaux stockent sélectivement l’énergie de la première impulsion de rayons X pendant une courte période de temps pendant laquelle l’échantillon est rapidement décalé d’environ une demi-longueur d’onde de la lumière des rayons X”, explique Thomas Pfeifer, directeur de l’Institut Max Planck pour le nucléaire. Physique à Heidelberg. Cela correspond à environ 45 trillionièmes de mètre. Après ce petit mouvement, l’échantillon émet la deuxième impulsion.

Les physiciens comparent leur expérience à deux diapasons situés à des distances différentes d’un pétard (Figure 2). Le bang frappe d’abord le diapason le plus proche, le faisant vibrer, puis passe au deuxième diapason. En attendant, le premier diapason, maintenant excité, émet lui-même des ondes sonores, qui arrivent avec un retard à la deuxième fourche. En fonction du temps de retard, ce son amplifie ou amortit les vibrations de la deuxième fourche – tout comme la deuxième poussée sur le swing oscillant, ainsi que pour le cas des noyaux excités.

Avec cette expérience, Jörg Evers, Christoph Keitel et Thomas Pfeifer et leur équipe de l’Institut Max Planck de physique nucléaire en coopération avec des chercheurs de DESY à Hambourg et de l’Institut Helmholtz / Université Friedrich Schiller à Jena ont réussi pour la première fois à démontrer une cohérence contrôle des excitations nucléaires. En plus des installations synchrotron telles que celles de l’ESRF, les lasers à électrons libres (FEL) tels que le XFEL européen de DESY ont récemment fourni de puissantes sources de rayonnement X, même en qualité laser. Cela ouvre un avenir dynamique au domaine émergent de l’optique quantique nucléaire.

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