Fil quantique : masse et énergie circulent sans frottement

Une percée expérimentale révèle un transport parfait dans un gaz quantique ultra-froid

Dans une découverte stupéfiante qui défie la physique fondamentale, des chercheurs de l'Université technique de Vienne (TU Wien) ont créé un « fil quantique » où la masse et l'énergie circulent sans aucun frottement ni perte. Avec des milliers d'atomes de rubidium se déplaçant le long d'une ligne unique, l'équipe a observé un comportement de transport qui défie les règles physiques normales, où les collisions causent typiquement de la résistance et de la dissipation.

La configuration du fil quantique

L'expérience, dirigée par le physicien Jörg Schmiedmayer, a impliqué de piéger des atomes de rubidium dans une structure extrêmement étroite à l'aide de champs magnétiques et de lumière provenant d'un dispositif à miroir numérique. Cela a créé un système unidimensionnel où les atomes ne pouvaient se déplacer que le long d'une seule ligne. L'ensemble de la configuration a été refroidi à seulement quelques dizaines de milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, transformant les atomes en un gaz quantique où ils se comportent comme des ondes collectives plutôt que comme des particules individuelles.

« Ce que nous avons créé est essentiellement un conducteur parfait à la fois pour la masse et l'énergie, » a expliqué Schmiedmayer dans une interview. « Les atomes se déplacent comme s'il n'y avait aucune résistance, même s'ils entrent constamment en collision les uns avec les autres. »

Pendule de Newton à l'échelle atomique

Les chercheurs ont trouvé une analogie élégante pour expliquer ce phénomène : le jouet classique du pendule de Newton. Tout comme la quantité de mouvement est parfaitement transférée d'une balle à l'autre sans perte dans le pendule, le fil quantique permet l'échange de quantité de mouvement entre les atomes sans diffusion ni dissipation.

Lorsque les chercheurs ont appliqué une force en inclinant le paysage de potentiel, ils ont observé un flux stable d'atomes qui continuait à croître sans s'affaiblir. Le transport d'énergie a montré une perfection similaire - lorsque deux nuages de gaz de densités différentes ont été mis en contact, l'énergie s'est rapidement propagée sans perte mesurable.

Confirmation de l'hydrodynamique généralisée

Les résultats, publiés dans Science, fournissent une confirmation expérimentale du cadre théorique de l'hydrodynamique généralisée (GHD). Cette théorie relativement nouvelle décrit comment les systèmes quantiques avec de nombreuses lois de conservation se comportent à grande échelle, et était jusqu'à présent principalement mathématique.

« C'est une belle démonstration que la GHD prédit avec précision un comportement quantique réel, » a déclaré le physicien théorique Marcos Rigol, qui n'était pas impliqué dans l'étude. « Nous voyons des systèmes intégrables en action, où les propriétés de transport diffèrent fondamentalement de ce que nous observons dans les matériaux du quotidien. »

Pas de supraconductivité, mais quelque chose de nouveau

Bien que le transport sans frottement puisse évoquer la supraconductivité, les chercheurs soulignent qu'il s'agit d'un phénomène fondamentalement différent. La supraconductivité implique des électrons chargés formant des paires de Cooper qui se déplacent sans résistance à travers les matériaux, tandis que ce fil quantique utilise des atomes neutres et repose sur la structure mathématique du système lui-même.

La différence cruciale réside dans le mécanisme : la supraconductivité est une phase de la matière où l'ensemble du matériau se comporte différemment, tandis que le transport parfait du fil quantique est une propriété de la dynamique du système. « Ce n'est pas un supraconducteur - c'est plutôt un conducteur parfait pour l'énergie et la masse, » a précisé Schmiedmayer.

Applications futures et implications

La découverte ouvre de nouvelles possibilités pour comprendre et potentiellement contrôler la perte d'énergie dans les systèmes quantiques. Bien que les applications pratiques soient encore lointaines, ces connaissances pourraient finalement conduire à une électronique plus efficace, de meilleurs conducteurs thermiques et des composants améliorés pour les ordinateurs quantiques.

La recherche remet également en question notre compréhension de la thermodynamique aux échelles quantiques. « Nous observons des systèmes qui ne thermalisent pas selon nos règles habituelles, » a noté Schmiedmayer. « Cela pourrait nous aider à comprendre pourquoi la résistance apparaît dans certains systèmes mais disparaît dans d'autres. »

À mesure que les technologies quantiques continuent de progresser, des découvertes comme celle de ce fil quantique offrent des perspectives fondamentales qui pourraient façonner la prochaine génération de dispositifs écoénergétiques et de systèmes d'information quantique.