Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

Depuis près d'un siècle, les physiciens sont aux prises avec une règle singulière du monde quantique : l'acte de mesurer quelque chose modifie inévitablement cet objet. Dans la vision standard, pour déterminer où se trouve une particule ou comment elle tourne, il faut interagir avec elle suffisamment fortement pour forcer une réponse définie. Cette interaction donne généralement un coup à la particule, brouillant son état et rendant impossible la connaissance de ce qu'elle faisait avant la mesure. Cependant, une approche différente est apparue à la fin des années 1980, suggérant que si une mesure est effectuée très doucement — si doucement qu'elle perturbe à peine le système — et qu'elle est suivie d'une vérification très spécifique et peu probable de l'état final du système, quelque chose d'étrange peut se produire. Le résultat moyen de ces mesures faibles peut être amplifié à un degré qui semble impossible, produisant un nombre qui se situe bien au-delà de la plage de valeurs que la propriété mesurée pourrait normalement prendre. Ce phénomène, connu sous le nom d'amplification de la valeur faible, repose sur une interférence délicate entre l'état initial du système et un état final qui est presque, mais pas tout à fait, incompatible avec celui-ci. Bien que cet effet ait été observé de nombreuses fois avec la lumière, où les ondes se chevauchent et interfèrent facilement, il est resté insaisissable avec la matière, car les atomes sont beaucoup plus difficiles à maintenir dans un état cohérent et ondulatoire sur de longues distances.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Toronto a maintenant réalisé avec succès cette expérience difficile en utilisant des atomes, concrétisant une version de la proposition suggérée pour la première fois il y a des décennies. Ils ont travaillé avec un nuage d'atomes de rubidium refroidis à une température si basse qu'ils formaient un objet quantique unique appelé condensat de Bose-Einstein. Dans cet état, les atomes se comportent comme une seule et immense onde plutôt que comme des particules individuelles. Les chercheurs se sont donné pour mission de mesurer le « spin » de ces atomes, une propriété qui décrit leur orientation magnétique intrinsèque. Dans une expérience normale, mesurer le spin impliquerait un champ magnétique fort qui pousserait les atomes ayant un sens de spin d'un côté et les atomes ayant le sens opposé de l'autre, créant ainsi deux groupes distincts et séparés. Les chercheurs, cependant, voulaient effectuer une mesure « faible ». Ils ont appliqué un gradient magnétique si doux que les deux groupes de spin ne se sont pas séparés en points distincts ; au lieu de cela, leurs trajectoires ondulatoires se sont chevauchées et ont interféré les unes avec les autres.

Pour observer l'effet d'amplification, l'équipe a dû réaliser une étape finale qui semblait contre-intuitive. Après la poussée douce, ils ont sélectionné uniquement les atomes qui se trouvaient dans un état final spécifique, presque, mais pas parfaitement, opposé à leur état initial. Comme cet état final était si peu probable, le chevauchement entre les conditions initiales et finales était infime. Selon la théorie des valeurs faibles, ce minuscule chevauchement agit comme un dénominateur qui peut rendre l'effet mesuré énorme. Les chercheurs ont constaté qu'en effectuant cette sélection improbable, le minuscule coup de quantité de mouvement reçu par les atèmes du champ magnétique était magnifié par un facteur de quatorze. Les atomes ayant survécu à ce processus de sélection se déplaçaient avec un décalage de vitesse effective d'environ 8 micromètres par seconde, une vitesse incroyablement petite et difficile à détecter directement. Pourtant, grâce à l'amplification, la mesure donnait comme si le spin avait été mesuré avec une valeur de 7, alors que le spin d'un atome seul ne peut être que de plus ou moins un demi.

L'expérience a démontré que cette amplification n'est pas un tour de passe-passe mathématique mais un effet physique réel qui dépend de la « faiblesse » de la mesure initiale. Lorsque les chercheurs ont augmenté la force de la poussée magnétique, rendant la mesure moins faible, l'effet d'amplification a diminué et les résultats sont revenus à la plage normale. Cela a confirmé que les grands nombres étranges étaient une conséquence directe de l'équilibre délicat entre l'interaction douce et la sélection finale improbable. L'équipe a également noté que l'effet était plus prononcé lorsque les atomes étaient dans un état permettant une interférence claire, une condition beaucoup plus difficile à atteindre avec la matière qu'avec la lumière. En utilisant un nuage d'atomes soigneusement préparé et refroidi, ils ont pu maintenir la cohérence nécessaire pour observer cette interférence.

Ce travail marque la première fois qu'une telle valeur faible anormale est mesurée en utilisant le spin d'une particule avec une véritable sonde continue, et c'est la première observation de cet effet utilisant des atomes. Les chercheurs ont montré que malgré les défis liés au travail avec les ondes de matière, qui ont tendance à perdre leur cohérence sur de très courtes distances, il est possible d'observer ces signaux amplifiés. La capacité de magnifier un minuscule coup de quantité de mouvement par un facteur aussi important ouvre la voie à de nouvelles méthodes pour mesurer des forces ou des champs magnétiques extrêmement faibles. Bien que l'expérience actuelle ait nécessité un filtrage minutieux qui a écarté la plupart des atomes pour trouver les rares qui montraient l'effet, ce succès prouve que la technique est viable. Les travaux futurs pourraient affiner ces méthodes pour les rendre plus pratiques pour des applications de détection, permettant potentiellement aux scientifiques de détecter des signaux magnétiques minuscules qui sont actuellement cachés dans le bruit. L'étude constitue une démonstration concrète que les étranges prédictions de la mécanique quantique, autrefois jugées limitées à la lumière, peuvent prendre vie dans le monde tangible des atomes.