La physique classique et la physique quantique sont définies par ce qui les rend si différentes, mais une question encore plus importante tourmente les physiciens depuis des décennies : qu’est-ce qui relie ces deux visions opposées ? Pourquoi les lois fondamentales de la physique classique échouent-elles au niveau quantique, et peut-on les réconcilier ?
Aujourd’hui, grâce à un nouveau matériau, les scientifiques sont peut-être sur le point de trouver la réponse, car ils ont trouvé un moyen de voir la mécanique quantique se produire à une échelle visible à l’œil nu.
“Nous avons trouvé un matériau particulier qui est à cheval sur ces deux régimes”, explique le chef d’équipe N. Peter Armitage, de l’université Johns Hopkins.
“Habituellement, nous considérons la mécanique quantique comme une théorie des petites choses, mais dans ce système, la mécanique quantique apparaît à des échelles de longueur macroscopiques. Les expériences sont rendues possibles par une instrumentation unique développée dans mon laboratoire.”
Le matériau en question est un type d’isolant topologique. Ce type de matériau a été prédit pour la première fois dans les années 1980, et les scientifiques en ont produit différentes variantes depuis 2007.
Les isolants topologiques sont spéciaux parce qu’ils sont conducteurs sur leur couche extérieure mais, à l’intérieur, c’est un isolant. Cela signifie que les électrons ne peuvent circuler que le long de l’extérieur du matériau, ce qui leur permet d’afficher des comportements vraiment étranges.
Pour leur expérience, Armitage et son équipe ont créé des isolants topologiques à partir de morceaux de bismuth et de sélénium de la taille de rognures d’ongles de différentes épaisseurs.
Ils ont révélé pour la première fois que ces deux éléments offrent aux physiciens un moyen de voir les phénomènes quantiques à une échelle beaucoup plus grande que d’habitude.
Pour le découvrir, ils ont envoyé un faisceau de rayonnement térahertz (parfois appelé THz ou rayons T – un spectre invisible de la lumière) à travers ces isolants, en mesurant le faisceau au fur et à mesure de son déplacement.
L’équipe a constaté que le faisceau changeait en traversant le matériau en tournant légèrement – un effet qui n’est généralement observé qu’à l’échelle atomique.
Mieux encore, la quantité de changement observée pouvait être prédite avec précision à l’aide des mêmes mathématiques complexes qui régissent le niveau quantique. C’est la première fois que des chercheurs sont témoins de la mécanique quantique à l’échelle macro dans un isolant topologique.
Cela peut sembler anodin, mais l’isolateur a donné à l’équipe une occasion rare de reproduire un effet quantique dans un objet plus grand, et cela montre un lien prometteur entre le monde de la mécanique quantique et classique.
Ce lien, les scientifiques le recherchent depuis des décennies, dans le cadre de la quête de l’insaisissable “théorie du tout “.
Pour faire simple, les scientifiques savent que les règles du monde quantique – qui expliquent comment les atomes fonctionnent à une échelle extrêmement petite – doivent être liées d’une manière ou d’une autre au monde classique de tous les jours – les règles de systèmes plus grands, comme la façon dont une balle roule ou dont une fusée est lancée.
Mais le problème est que ce lien est insaisissable. De nombreuses règles de la physique classique – l’intrication quantique – s’effondrent au niveau quantique. Par exemple, la gravité, qui est cruciale pour notre monde, ne semble pas du tout affecter les systèmes quantiques, et les règles de la physique classique ne peuvent pas expliquer l ‘”action étrange à distance ” de la gravité
Cette expérience suggère que les isolants topologiques pourraient être le moyen de voir enfin ce lien une fois pour toutes, si nous pouvons continuer à les manipuler.
Bien que cette nouvelle expérience soit un pas dans la bonne direction et “une pièce du puzzle”, selon Armitage, les chercheurs ont encore beaucoup de travail à faire avant de comprendre pleinement le lien entre ces deux mondes physiques différents.
L’espoir est qu’un jour nous aurons une image complète de la physique, et de nouveaux matériaux comme l’isolant topologique de l’équipe pourraient être le moyen d’y parvenir.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans Science.