Les scientifiques ont brisé atome contre atome et ont libéré un monstre magnétique. Une expérience révolutionnaire a créé un champ si puissant qu’il pourrait éclipser l’emprise d’une étoile à neutrons. Les aimants rotatifs peuvent créer une lévitation presque impossible à la physique. Pour la première fois, les physiciens comprenaient clairement comment les atomes individuels se comportent comme des ondes.
L’univers est un lieu de forts extrêmes magnétiques. Les magnétars, par exemple, peuvent générer des champs magnétiques de plus de 100 000 milliards de gauss. En comparaison, l’aimant de votre réfrigérateur produit un champ de seulement 100 gauss. Ce magnétisme extrêmement intense peut déformer la forme de l’étoile au point que celle-ci émet des ondes gravitationnelles dans l’univers. Mais ce champ magnétique modifiant l’espace-temps est loin d’égaler la puissance des champs générés dans le monde quantique.
Le champ magnétique créé par les scientifiques était environ 10 000 fois plus puissant que celui d’un magnétar
De nouvelles recherches menées par l’expérience Solenoidal Tracker du Brookhaven National Laboratory au RHIC (STAR) utilisant le collisionneur d’ions lourds relativistes à Upton, New York, ont détecté un champ magnétique « super puissant » à l’intérieur du plasma quark-gluon formé après la désactivation des collisions centrales. de noyaux atomiques lourds. Selon des résultats publiés la semaine dernière dans la revue Physical Review X, ce champ magnétique était environ 10 000 fois plus puissant que celui d’un magnétar.
« Ces charges positives se déplaçant rapidement devraient générer un champ magnétique très puissant, estimé à 10,18 gauss « , a déclaré le co-auteur Gang Wang, physicien de STAR à l’UCLA, dans un communiqué de presse. « C’est probablement le champ magnétique le plus puissant de notre Univers. »
À l’aide d’un RHIC de la taille d’une maison, les scientifiques ont suivi les trajectoires de collision d’ions lourds (comme l’or) après une collision décentrée. Les théories prédisent qu’une telle collision créerait un champ magnétique puissant : certains protons chargés positivement et neutrons neutres non impliqués dans la collision tourbillonneraient dans le plasma quark-gluon résultant en passant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
Après avoir exclu d’autres causes d’un champ magnétique aussi puissant, les chercheurs ont découvert une « déviation dépendante de la charge » qui ne pouvait être provoquée que par un phénomène connu sous le nom d’induction de Faraday (du nom du célèbre pionnier de l’électromagnétisme du XIXe siècle). Cette induction spécifique ne peut être provoquée que par la désintégration rapide d’un champ magnétique puissant. L’interaction a affecté la trajectoire des particules chargées, que les scientifiques ont ensuite pu mesurer.
Vue de haut en bas d’une collision décentrée. La figure (B) représente un champ magnétique extrêmement puissant lors de sa désintégration, qui induit un courant électrique par induction de Faraday. Cela affecte la trajectoire des particules chargées capturées par le RHIC. L’ampleur de l’écart est liée à la conductivité du plasma quark-gluon.
Et c’est une bonne chose, car contrairement aux magnétars, qui produisent simplement de puissants champs magnétiques tout au long de leur vie, ces champs magnétiques ultra-puissants résultant de collisions décentrées ne se produisent que pendant dix millionièmes de milliardième ou milliardième de seconde. Cela rend impossible sa capture seule, mais son effet peut être observé dans la dispersion des particules subatomiques qui en résulte.
« Nous pouvons déduire la valeur de conductivité à partir de nos mesures du mouvement collectif », a déclaré le co-auteur Diyu Shen, physicien de STAR à l’Université de Fudan en Chine, dans un communiqué de presse. « Le degré de déviation des particules dépend directement de la force du champ électromagnétique et de la conductivité du QGP, et personne n’a mesuré la conductivité du QGP auparavant. »
Comprendre les propriétés du plasma de quarks et de gluons aide les physiciens à comprendre à quoi ressemblait l’Univers quelques instants seulement après le Big Bang, avant que les quarks et les gluons en mouvement libre ne fusionnent en hadrons (protons et neutrons) qui forment des atomes. Ces collisions devraient également aider les experts à étudier la complexité de l’effet de chiralité magnétique (CME).
Il s’avère que les aimants en rotation peuvent créer une lévitation presque impossible à la physique.
La gravité n’est en principe pas prise en compte dans le nouveau principe de sustentation magnétique basé sur la rotation en cours de développement. Cette lévitation stabilisée en rotation utilise un aimant rotatif pour stabiliser l’aimant en lévitation et le verrouiller en place.
La lévitation magnétique est déjà utilisée dans le monde entier et le nouveau principe a des applications impliquant la manipulation d’objets sans contact.
La gravité ne fait essentiellement pas partie de l’équation physique lorsque la lévitation stabilisée en rotation entre en jeu. Alors que les recherches se poursuivent pour développer un nouveau type de lévitation magnétique, qui consiste en un rotor magnétique en rotation qui fait léviter un flotteur au-dessus de lui, les scientifiques ont conclu que ce nouveau type de lévitation anti-gravité avait des applications réelles.
Démontrée pour la première fois en 2021 par l’ingénieur en électronique turc Hamdi Ukar, une équipe de recherche de l’Université technique du Danemark a développé le concept de contre-gravité, publiant ses résultats dans la revue Physical Review Applied en octobre 2023. Dans leurs recherches, l’équipe a démontré à quel point ce concept est facile à créer et à reproduire.
Ils ont également montré à quel point la physique étonnante et inattendue rend tout ce processus possible.
La lévitation magnétique (parfois appelée maglev) a déjà été observée partout dans le monde, depuis les trains flottants jusqu’aux voitures à grande vitesse. Mais la lévitation stabilisée en rotation pourrait simplifier les utilisations futures de la lévitation magnétique grâce à sa compatibilité avec la conception sans contact. Les modèles modernes de maglev nécessitent des systèmes de contrôle pour fournir la force magnétique et conduire les flux d’énergie. Au lieu de cela, cette nouvelle approche nécessite uniquement de faire tourner un aimant pour maintenir l’autre en place.
« Les aimants ne doivent pas raccrocher lorsqu’ils sont placés à proximité les uns des autres », a déclaré Rasmus Björk, responsable de l’étude et physicien à la TU-Danemark, selon The Debrief. « Habituellement, soit ils s’attirent, soit ils se repoussent. Mais si vous tournez l’un des aimants, il s’avère que vous pouvez obtenir un véritable gel. Et c’est la chose la plus étrange. La force exercée sur les aimants ne devrait pas changer simplement parce que vous faites tourner l’un d’eux. Il semble donc y avoir une relation entre le mouvement et la force magnétique. »
L’aimant du rotor tourne. Si le moteur peut maintenir l’aimant du rotor en mouvement, il peut faire le travail de maintenir un autre aimant, appelé flotteur, en lévitation. « Nous avons constaté que lorsque la lévitation se produit », écrivent les auteurs dans l’étude, « la fréquence de l’aimant du flotteur est synchronisée avec celle de l’aimant du rotor et, remarquablement, la magnétisation du flotteur est orientée près de l’axe de rotation du pôle de l’aimant du rotor. .»
Mais pourquoi? Eh bien, contrairement à ce que l’on pourrait attendre des lois de la magnétostatique, il s’avère que le flotteur aligne son aimantation essentiellement perpendiculairement au champ magnétique du rotor.
« Il est assez surprenant que la lévitation magnétique se développe dans un système aussi relativement simple », a déclaré Björk à Physics World.
Cette découverte signifie que le flotteur peut léviter de manière stable grâce à l’interaction. « Tout le monde comprend intuitivement que la force magnétostatique qu’un aimant exerce sur un autre peut être attractive ou répulsive », a déclaré Frederic Laust Durhus, responsable de l’étude et physicien à la TU-Danemark, à Physics World. « Sans rotation, un aimant libre tournera, donc la force deviendra purement attractive, puis les aimants entreront en collision les uns avec les autres. Ce qui rend le nouveau système de sustentation magnétique si spécial, c’est que la rotation elle-même permet au flotteur de rester dans une configuration contradictoire, presque perpendiculaire au champ du flotteur, où la force magnétostatique l’attire et le repousse simultanément.
Une telle configuration pourrait s’avérer utile pour tout, de la capture de particules magnétiques aux applications robotiques sans contact, grâce à une configuration considérablement simplifiée par rapport aux systèmes dépendants du courant.
« L’élément clé de notre expérience démontrant la lévitation magnétique », a déclaré Björk à Physics, « est à quel point elle est extrêmement simple à mettre en œuvre. »
À la recherche de la gravité quantique
La lévitation d’aimants à des températures inférieures à zéro pourrait conduire à des découvertes spatiales révolutionnaires. Einstein n’a pas pu déchiffrer le code de la gravité quantique. Les scientifiques font un pas de plus. Bien que trois des quatre forces fondamentales de la nature se trouvent dans le monde quantique, la gravité reste la seule étrangère.
Une nouvelle expérience menée par une équipe internationale de scientifiques européens a enregistré la plus petite mesure de gravité jamais enregistrée : seulement 30 attoNewtons (aN).
En mesurant une particule pesant seulement 0,43 mg, les mesures futures pourraient pénétrer le monde quantique et révéler la gravité quantique, toujours insaisissable.
La théorie de la relativité générale d’Einstein a contribué à redéfinir notre compréhension de la manière dont les corps massifs de l’univers interagissent et influencent la structure de l’espace-temps, et la théorie quantique des champs définit le monde atomique.
Bien que ces deux théories décrivent bien leurs mondes (même s’il y a toujours place à l’amélioration), elles ne s’accordent pas bien, ce qui pose tout un problème si vous souhaitez unifier la physique du cosmos sous un seul ensemble de théories et de règles. Alors que le monde physique contient des preuves de quatre forces fondamentales : l’électromagnétisme, la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et la gravité, le monde quantique ne présente que les trois premières. C’est pourquoi les physiciens recherchent depuis près d’un siècle toute preuve liée à la gravité quantique.
Cette recherche de la gravité quantique a dérouté les plus grands esprits, y compris Einstein lui-même, qui a déclaré dans sa théorie de la relativité générale qu’il n’existait aucune expérience pour prouver la gravité quantique. Même si Einstein était l’un des physiciens les plus doués de tous les temps, ses prédictions ne se sont pas toujours réalisées. Einstein pensait autrefois qu’il était probablement impossible de détecter les ondes gravitationnelles, et maintenant LIGO en possède une liste croissante. Alors, Einstein pourrait-il se tromper à propos des expériences de gravité quantique ?
Une équipe internationale de scientifiques de l’Université britannique de Southampton, de l’Université de Leiden aux Pays-Bas et de l’Institut italien de photonique et de nanotechnologie est impatiente de le découvrir. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science Advances, l’équipe détaille le processus innovant par lequel elle a découvert la plus petite gravité jamais enregistrée. La gravité a été détectée sur une minuscule particule mesurant seulement 0,43 mg. Ce n’est pas exactement un monde quantique, mais il est si petit qu’il y est presque adjacent.
« Pendant un siècle, les scientifiques ont essayé, sans succès, de comprendre comment la gravité et la mécanique quantique fonctionnent ensemble », a déclaré Tim Fuchs de l’Université de Southampton, auteur principal de l’étude, dans un communiqué de presse. « Nous avons maintenant réussi à mesurer les signaux gravitationnels à la plus petite masse jamais enregistrée, ce qui signifie que nous sommes sur le point de comprendre définitivement comment cela fonctionne en tandem. À partir de là, nous commencerons à réduire la source en utilisant cette technique jusqu’à atteindre le monde quantique des deux côtés. »
Comme la plupart des avancées dans le monde quantique, cette configuration nécessite des températures ultra-basses : seulement un centième de degré au-dessus du zéro absolu. Cette basse température, combinée à des dispositifs supraconducteurs appelés pièges, a permis à l’échantillon de léviter. Selon le communiqué de presse, grâce à « l’isolation avancée des vibrations », les instruments sensibles ont pu détecter une faible poussée de seulement 30 attoNewtons (aN), soit un milliardième de milliardième de Newton (tout comme une attoseconde est un milliardième). d’une seconde). Si les scientifiques parviennent à repousser les limites de la petitesse des mesures gravitationnelles, ils pourront bientôt accéder au domaine quantique.
« Notre nouvelle technique, qui utilise des températures extrêmement basses et des dispositifs pour isoler les vibrations des particules, est susceptible d’être prometteuse pour mesurer la gravité quantique », a déclaré Hendrik Ulbricht de l’Université de Southampton, co-auteur de l’étude, dans un communiqué de presse. « Révéler ces mystères nous aidera à découvrir davantage de mystères sur la structure même de l’Univers, des plus petites particules aux plus grandes structures cosmiques. »
De nouvelles images montrent des atomes se transformant en ondes quantiques, comme Schrödinger l’avait prédit
Une nouvelle technique d’imagerie qui capture les atomes de lithium gelés se transformant en ondes quantiques pourrait être utilisée pour explorer certains des aspects les plus mal compris du monde quantique. Les scientifiques qui ont inventé la technique d’imagerie ont publié leurs résultats sur le serveur de prépublication arXiv, leurs recherches n’ont donc pas encore été évaluées par des pairs.
Pour la première fois, les physiciens comprenaient clairement comment les atomes individuels se comportent comme des ondes.
L’image montre des points rouges nets d’atomes fluorescents se transformant en taches floues de paquets d’ondes, démontrant l’idée que les atomes existent sous forme de particules et d’ondes – l’une des pierres angulaires de la mécanique quantique.
L’image montre des atomes de lithium refroidis presque au zéro absolu sous forme de points rouges. En combinant plusieurs de ces images, les auteurs ont pu observer comment les atomes se comportent comme des ondes. Verstraeten et coll.
« La nature ondulatoire de la matière reste l’un des aspects les plus frappants de la mécanique quantique », écrivent les chercheurs dans l’article. Ils ajoutent que leur nouvelle technique pourrait être utilisée pour imager des systèmes plus complexes, donnant ainsi un aperçu de certaines questions fondamentales de la physique.
Proposé pour la première fois par le physicien français Louis de Broglie en 1924 et développé par Erwin Schrödinger deux ans plus tard, le dualisme onde-particule stipule que tous les objets de taille quantique, et donc toute la matière, existent simultanément sous forme de particules et d’ondes.
La célèbre équation de Schrödinger est généralement interprétée par les physiciens comme l’affirmation selon laquelle les atomes existent sous forme de paquets de probabilité ondulatoire dans l’espace, qui s’effondrent ensuite en particules discrètes lorsqu’ils sont observés. Cette propriété étrange du monde quantique, bien que contre-intuitive, a été confirmée par de nombreuses expériences.
Pour capturer cette dualité floue, les physiciens ont d’abord refroidi les atomes de lithium à des températures proches du zéro absolu en les bombardant de photons, ou de particules lumineuses, provenant d’un laser pour les priver de leur élan. Une fois les atomes refroidis, les nouveaux lasers les capturaient dans un réseau optique en paquets discrets.
Au fur et à mesure que les atomes refroidissaient et étaient confinés, les chercheurs ont périodiquement éteint et rallumé le réseau optique, faisant passer les atomes d’un état semblable à celui d’une particule confinée à un état semblable à une onde, puis inversement.
La caméra du microscope a enregistré la lumière émise par les atomes à l’état de particule à deux moments différents, les atomes se comportant comme des ondes entre les deux. En collectant de nombreuses images, les auteurs ont tracé la forme de cette onde et observé son expansion au fil du temps, ce qui est tout à fait cohérent avec l’équation de Schrödinger.
« Cette technique d’imagerie consiste à rallumer le réseau pour projeter chaque paquet d’ondes dans un seul puits afin de le transformer à nouveau en particule : ce n’est plus une onde », co-auteur de l’étude Tariq Yefsa, physicien au Centre national français. en Recherche Scientifique et à l’Ecole Normale Supérieure de Paris, a déclaré à Live Science. « Vous pouvez considérer notre méthode d’imagerie comme un moyen de mesurer la densité de la fonction d’onde, un peu comme les pixels d’une caméra CCD. » Une caméra CCD est un type courant d’appareil photo numérique qui utilise un dispositif à couplage de charge pour capturer des images.
Les scientifiques disent que cette image n’est qu’une simple démonstration. Leur prochaine étape sera de l’utiliser pour étudier des systèmes d’atomes en interaction forte, qui sont moins étudiés.
« L’étude de tels systèmes peut améliorer notre compréhension des états étranges de la matière, tels que ceux trouvés dans les noyaux d’étoiles à neutrons extrêmement denses ou dans le plasma quark-gluon qui aurait existé peu de temps après le Big Bang », a déclaré Yefsa.