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Torsion et liaison des ondes de matière aux photons

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Torsion et liaison des ondes de matière aux photons

Les atomes à l’intérieur de la cavité optique échangent leurs états de quantité de mouvement en « jouant au catch » avec les photons. Lorsque les atomes absorbent les photons du laser appliqué, c’est l’ensemble du nuage d’atomes qui rebondit plutôt que les atomes individuels. Crédit : Stephen Burrows/Ray, Thompson and Holland Collections, édité

Des chercheurs du JILA et du NIST ont développé une technique permettant d’atténuer le rebond atomique dans les mesures quantiques en utilisant les interactions d’échange de quantité de mouvement au sein du système de cavités. Cette percée peut grandement améliorer Précision Les capteurs quantiques permettent de nouvelles découvertes en physique quantique.

En raison du rebond atomique, mesurer avec précision les états énergétiques des atomes individuels constitue un défi historique pour les physiciens. quand atome interagit avec un PhotonL’atome « ​​rebondit » dans la direction opposée, ce qui rend difficile la mesure précise de la position et de l’impulsion de l’atome. Ce rebond pourrait avoir de grandes implications pour la détection quantique, qui détecte des changements infimes dans les paramètres, par exemple en utilisant les changements dans les ondes gravitationnelles pour déterminer la forme de la Terre ou même détecter la matière noire.

Ana Maria Rey et James Thompson, boursiers JILA et NIST, Murray Holland, boursier JILA, et leur équipe ont proposé un moyen de surmonter ce rebond atomique en démontrant un nouveau type d’interaction atomique appelée interaction d’échange d’impulsion, dans laquelle les atomes échangent leur impulsion en échangeant photons correspondants. Les détails de la recherche ont été publiés dans un nouvel article de la revue les sciences.

À l’aide d’une cavité – un espace clos constitué de miroirs – les chercheurs ont observé que le recul atomique était supprimé par les atomes échangeant des états énergétiques dans cet espace étroit. Ce processus a créé une absorption collective d’énergie et réparti le recul entre toutes les particules.

Les atomes à l’intérieur de la cavité optique sont des états d’échange

Les atomes à l’intérieur de la cavité optique échangent leurs états de quantité de mouvement en « jouant au catch » avec les photons. Lorsque les atomes absorbent les photons du laser appliqué, c’est l’ensemble du nuage d’atomes qui rebondit plutôt que les atomes individuels. Crédit : Stephen Burrows/Collections Holland, Ray et Thompson

En utilisant ces résultats, d’autres chercheurs peuvent concevoir des cavités pour atténuer les rebonds et autres influences externes dans un large éventail d’expériences, ce qui pourrait aider les physiciens à mieux comprendre les systèmes complexes ou à découvrir de nouveaux aspects de la physique quantique. La conception améliorée de la cavité pourrait également permettre des simulations plus précises de la supraconductivité, comme dans le cas de la jonction Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) ou des systèmes physiques à haute énergie.

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Pour la première fois, il a été observé qu’une interaction d’échange de quantité de mouvement induisait une dynamique de torsion sur un axe (OAT), un aspect de l’intrication quantique, entre les états de la quantité de mouvement atomique. La farine d’avoine agit comme une tresse quantique pour enchevêtrer différentes particules, chaque état quantique étant tordu et lié à une autre particule.

Auparavant, l’OAT n’était observée que dans les états internes des atomes, mais désormais, avec ces nouveaux résultats, on pense que l’OAT induite par l’échange de quantité de mouvement peut aider à réduire le bruit quantique provenant de plusieurs atomes. La capacité à intriguer les états de quantité de mouvement pourrait également conduire à des améliorations de certaines mesures physiques réalisées par des capteurs quantiques, par exemple Ondes gravitationnelles.

Profitez du réseau de densité

Dans le cadre de cette nouvelle étude, inspirée des recherches antérieures de Thompson et de son équipe, les chercheurs ont examiné les effets de la superposition quantique, qui permet à des particules telles que des photons ou des électrons d’exister simultanément dans plusieurs états quantiques.

« Dans ce [new] Project, tous les atomes partagent le même signe de spin ; « La seule différence est que chaque atome est dans une superposition de deux états d’impulsion », a expliqué Chenjie Luo, étudiant diplômé et premier auteur.

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient mieux contrôler le rebond atomique en forçant les atomes à échanger des photons et leurs énergies associées. Comme dans un jeu de balle au prisonnier, un seul atome peut « lancer » une « balle au prisonnier » (un photon) et celle-ci rebondit dans la direction opposée. Cette balle douteuse pourrait être attrapée par un deuxième atome, ce qui provoquerait le même rebond à ce deuxième atome. Cela annule les rebonds subis par les deux atomes et les fait en moyenne pour l’ensemble du système de cavités.

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Lorsque deux atomes échangent des énergies photoniques différentes, le paquet d’ondes résultant (la distribution des ondes de l’atome) forme en superposition un graphique d’impulsion connu sous le nom de réseau de densité, qui ressemble à un peigne fin.

Ajouta Lou. « La formation d’un réseau de densité indique deux états d’impulsion [within the atom] Ils sont tellement « cohésifs » les uns avec les autres qu’ils peuvent intervenir [with each other]Les chercheurs ont découvert que l’échange de photons entre les atomes provoquait la connexion des paquets d’ondes des deux atomes, de sorte qu’il ne s’agissait plus de mesures distinctes.

Les chercheurs peuvent stimuler l’échange de quantité de mouvement en explorant l’interaction entre le réseau de densité et la cavité optique. Étant donné que les atomes échangent de l’énergie, tout rebond provoqué par l’absorption des photons était dispersé parmi l’ensemble de la communauté des atomes plutôt que parmi les particules individuelles.

Suppression du décalage Doppler

En utilisant cette nouvelle méthode de contrôle, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient également utiliser ce système d’atténuation de la rétrodiffusion pour aider à atténuer un problème de mesure distinct : le décalage Doppler.

Le décalage Doppler, un phénomène de la physique classique, explique pourquoi une sirène ou un klaxon de train change de tonalité lorsqu’il passe devant l’auditeur ou pourquoi certaines étoiles apparaissent rouges ou bleues sur les photographies du ciel nocturne. Il s’agit du changement de fréquence de l’onde lorsqu’elle passe par l’auditeur. La source et l’observateur se rapprochent (ou s’éloignent) l’un de l’autre. En physique quantique, le décalage Doppler décrit le changement d’énergie d’une particule dû au mouvement relatif.

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Pour des chercheurs comme Lu, le décalage Doppler peut être un défi à surmonter pour obtenir une mesure précise. « Lorsque les photons sont absorbés, le rebond atomique entraînera un décalage Doppler de la fréquence des photons, ce qui constitue un gros problème lorsque l’on parle de spectroscopie précise », a-t-il expliqué. En simulant leur nouvelle méthode, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient surmonter les biais de mesure dus au décalage Doppler.

Enchevêtrement des échanges d’élan

Les chercheurs ont également découvert que l’échange de quantité de mouvement entre ces atomes peut être utilisé comme une forme d’intrication quantique. Comme l’explique John Wilson, un étudiant diplômé du groupe de Holland : « Lorsqu’un atome tombe, son mouvement vibre à la fréquence de la cavité, ce qui encourage les autres atomes à ressentir collectivement le mécanisme de rétroaction et les incite à corréler son mouvement à travers des oscillations partagées. »

Pour tester davantage cet « enchevêtrement », les chercheurs ont créé une plus grande séparation entre les états de quantité de mouvement des atomes, puis ont catalysé l’échange de quantité de mouvement. Les chercheurs ont découvert que les atomes continuaient à se comporter comme s’ils étaient connectés. « Cela suggère que les deux états d’impulsion oscillent l’un par rapport à l’autre comme s’ils étaient reliés par un ressort », a ajouté Luo.

En ce qui concerne l’avenir, les chercheurs prévoient d’explorer davantage cette nouvelle forme d’intrication quantique, dans l’espoir de mieux comprendre comment elle peut être utilisée pour améliorer différents types de dispositifs quantiques.

Référence : « Les interactions d’échange d’impulsion dans l’interféromètre atomique de Bragg empêchent le décalage Doppler » par Chengyi Lu, Haoqing Zhang, Vanessa B. W. Koh et John D. Wilson, Angjun Chu, Murray J. Holland, Anna Maria Rhee et James K. Thompson, le 2 mai 2024, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.adi1393

Cette recherche a été soutenue par le Département américain de l’énergie, l’Office of Science, les Centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique et le Quantum Systems Accelerator.

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Encore une fois, Einstein ! Les scientifiques découvrent où les « cascades » de matière tombent dans les trous noirs

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Encore une fois, Einstein !  Les scientifiques découvrent où les « cascades » de matière tombent dans les trous noirs

Les scientifiques ont confirmé, pour la première fois, que la structure de l’espace-temps elle-même fait un « plongeon final » au bord d’un trou noir.

Cette région de naufrage autour des trous noirs a été observée par des astrophysiciens en physique de l’Université d’Oxford et contribue à valider une prédiction clé de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915 : la relativité générale.

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La Chine construit un réseau de radars pour soutenir les prévisions météorologiques spatiales mondiales-China.org.cn

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La Chine construit un réseau de radars pour soutenir les prévisions météorologiques spatiales mondiales-China.org.cn

Cette image non datée fournie par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) montre des radars à diffusion cohérente haute fréquence situés dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans le nord-ouest de la Chine. [Photo/Xinhua]

La Chine a construit un réseau de radars à haute fréquence aux latitudes moyennes dans les régions du nord du pays afin de fournir des données de détection de haute qualité pour les prévisions et les alertes météorologiques spatiales mondiales.

Le premier lot de résultats de découvertes scientifiques du réseau a été publié lors d’un atelier international sur le réseau de radars super doubles auroral (SuperDARN), qui s’est ouvert lundi à Pékin.

Le réseau, établi par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) de l’Académie chinoise des sciences, a été achevé en octobre 2023. Il fait également partie de la deuxième phase du projet chinois Meridian, un réseau de surveillance de la météo spatiale comprenant des stations au sol.

Le Conseil de sécurité nationale a déclaré que la Chine avait réalisé de nouvelles avancées dans la technologie des radars à diffusion cohérente à haute fréquence et dans la recherche scientifique, et qu’elle s’efforcerait d’approfondir la coopération internationale dans ce domaine.

L’ionosphère abrite toutes les particules chargées de l’atmosphère terrestre. Il abrite également de nombreux vaisseaux spatiaux, notamment des stations spatiales. Les scientifiques affirment que des irrégularités dans l’ionosphère pourraient perturber les signaux.

Six radars à diffusion cohérente à haute fréquence ont été installés dans la province du Jilin, dans la région autonome de Mongolie intérieure et dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans les régions du nord de la Chine.

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Cette série de radars à haute fréquence permet une détection continue et à grande échelle des irrégularités ionosphériques dans les latitudes moyennes et élevées du secteur asiatique. La portée de détection peut atteindre 4 000 kilomètres du sud au nord, et la portée est-ouest dépasse 12 000 kilomètres, selon le NSSC.

La série de radars à haute fréquence devrait rejoindre le réseau SuperDARN, un réseau mondial de radars scientifiques qui surveillent les conditions dans l’environnement spatial proche de la Terre et permettent l’échange et le partage de données en temps réel avec des bases de données au Royaume-Uni et au Canada.

SuperDARN, qui compte des membres provenant de dizaines de pays, dont le Royaume-Uni, les États-Unis, le Canada, le Japon, la Chine, la France, l’Italie, la Norvège, l’Australie et l’Afrique du Sud, est également l’une des principales organisations internationales participant à l’International Meridian Circle. Le programme proposé par la Chine.

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Des courants d’étoiles étonnamment anciens pourraient être les éléments constitutifs de la Voie Lactée

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Des courants d’étoiles étonnamment anciens pourraient être les éléments constitutifs de la Voie Lactée

Les archéologues hongrois, déchiffrant l’arbre généalogique complexe de notre galaxie, ont découvert deux autres branches : des flux primordiaux de milliers d’étoiles près du cœur de la Voie lactée qui pourraient être deux de ses premiers morceaux il y a au moins 12 milliards d’années. Les anciens amas se sont probablement formés avant même que le disque et les bras spiraux de la Voie lactée ne commencent à se former, fournissant ainsi de nouvelles informations sur la façon dont notre galaxie vieille de 13,6 milliards d’années s’est formée à ses débuts et s’est assemblée vers la spirale organisée que nous connaissons aujourd’hui.

Les étoiles des deux courants ont entre 12 et 13 milliards d’années, si vieilles que leurs découvreurs ont été étonnés de pouvoir les détecter, et encore moins les découvrir dans des amas aussi clairement distinguables. Les astronomes soupçonnent que ces filaments stellaires, chacun mesurant environ 10 millions de soleils, ont été laissés sur place lorsque leurs galaxies massives ont fusionné avec la Voie Lactée naissante, il y a environ 12 milliards d’années. Si cette hypothèse était confirmée par de futures observations, les astronomes auraient détecté la genèse de la Voie Lactée, représentant une époque où la Voie Lactée naissante se regroupait à la suite de multiples fusions avec des galaxies plus petites et malheureuses.

Les nouveaux brins d’étoiles ont été nommés Shiva et Shakti, en hommage au couple divin hindou dont l’union aurait créé l’univers. Shiva semble héberger environ 5 600 étoiles et Shakti environ 1 700 étoiles, et il reste probablement beaucoup d’autres étoiles à découvrir.

Shiva et Shakti sont « deux ajouts fascinants à la famille des mystères que nous accumulons dans les amas de la Voie lactée », explique Bob Benjamin, astronome à l’Université du Wisconsin-Whitewater, qui n’a pas été impliqué dans la découverte mais dans ses recherches. Se concentre sur la structure de la Voie Lactée. « Il y a un grand enthousiasme autour de cette idée car nous pouvons maintenant voir de très nombreux morceaux de la galaxie avec leurs propres histoires individuelles se réunir pour créer la galaxie que nous connaissons et aimons. »

Messages mitigés

Les étoiles de Shiva et de Shakti orbitent sur des « orbites tout à fait uniques » autour de la Voie lactée qui diffèrent des étoiles laissées par d’autres fusions de galaxies, explique Khyati Malhan de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) en Allemagne, qui a dirigé la découverte. Bien qu’ils soient les restes de deux galaxies distinctes, la composition chimique des deux amas d’étoiles est assez similaire, ce qui indique que leurs galaxies mères étaient également denses, explique Malhan.

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Malhan et son collègue Hans-Walter Rex du MPIA ont découvert les étoiles en analysant les données envoyées par l’Observatoire européen Gaia, qui cartographie les mouvements et les spectres de millions d’étoiles dans notre galaxie. Il décrit le duo Shiva et Shakti un peu plus loin dans un article publié en mars dans la revue Journal d’astrophysique.

Pour reconstituer l’histoire de notre galaxie, les astronomes classent généralement les étoiles en deux groupes : celles nées à l’intérieur de notre galaxie et celles à l’extérieur de notre galaxie qui ont été absorbées par les puissantes forces de marée de notre galaxie. Les deux groupes ont généralement des compositions chimiques distinctes. Les étoiles in situ comme celles qui habitent le disque de notre galaxie sont riches en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, dont le fer. Ces éléments se forment lorsque les étoiles sont « bien cuites sous pression » dans l’environnement dense de notre galaxie, explique Malhan. En revanche, les étoiles ex situ telles que celles dispersées dans la couronne relativement clairsemée ne contiennent pas de grands réservoirs de métaux lourds.

Étonnamment, les données de Gaia montrent que Shiva et Shakti manquent de fer, ce qui suggère qu’ils sont nés en dehors de notre galaxie et ont ensuite fusionné, mais qu’ils sont riches en d’autres éléments lourds généralement attribués aux étoiles locales. « C’est là que Shiva et Shakti nous envoient des signaux mitigés », dit Malhan. La précision cosmique a brouillé la véritable origine de ces étoiles, ce qui a pour effet d’améliorer notre compréhension des débuts de l’histoire de la Voie Lactée.

«Ils présentent un casse-tête intéressant», explique Benjamin. « En tant que scientifique, j’aime cette partie car elle signifie que nous avons des débats. »

Les étoiles nouvellement découvertes sont peut-être nées sur place, puis déplacées des profondeurs de notre galaxie vers leur site de découverte à environ 26 000 années-lumière du centre. Cela serait dû à la bande centrale de la Voie lactée, la structure dense de plusieurs milliers d’années-lumière qui relie les bras spiraux de la galaxie. Tout comme un ventilateur rotatif pousse les molécules d’air dans des poches denses, la barre tourbillonnante de notre galaxie « saisit » les étoiles, les rassemblant en amas bondés. Le « bar trapping », qui piège les étoiles sur des orbites en harmonie avec les orbites des barres, explique la chimie observée des nouvelles étoiles « assez simplement et facilement », explique l’astronome Vasiliy Belokurov de l’Université de Cambridge, qui étudie la formation des galaxies ( même s’il n’en était pas un). Participation à la nouvelle étude). « La bande aide : elle fait ressortir ces étoiles et nous les présente en quelque sorte. »

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Si les étoiles ne sont qu’un artefact de la rotation de la barre, Malhan et Rex soutiennent que la chimie des nouvelles étoiles devrait être similaire aux débris d’une autre fusion de galaxies appelée Gaia-Sausage-Encelade d’il y a 10 milliards d’années, dont les restes représente un amas de galaxies. Des étoiles bleues dans le halo de notre galaxie. « Jusqu’à présent, cela ne semble pas être le cas », déclare Malhan.

«Le temps nous le dira», dit Benjamin. « Pour les raisons qu’ils ont données, je pense qu’ils ont la bonne explication. »

Cependant, tout le monde n’est pas convaincu que les débris du GSE constituent une comparaison précise avec les nouvelles étoiles. Belokurov souligne que les étoiles restantes de la fusion GSE ne passent pas de temps près du centre de la Voie lactée, où elles pourraient interagir avec sa barre, donc « elles ne peuvent pas vraiment être piégées », dit-il. « Une fois que vous réalisez cela, cela fait pencher la balance dans l’autre sens. »

Bien que Belokurov applaudisse la transparence de l’équipe en soulignant des alternatives à l’explication principale, il existe « une confusion de leur part quant à ce à quoi devrait ressembler la chimie de ces structures centrales si elles faisaient partie de la couronne piégée et tournée par la barre », dit-il. . .

Les données provenant du vaisseau spatial Gaia, dont le lancement est prévu début 2026, incluront des étoiles faibles et fourniront plus de détails sur l’origine de Shiva et Shakti. Même si les nouvelles étoiles finissent par ne pas être représentatives de la façon dont la Voie Lactée s’est formée, elles pourraient quand même révéler des indices intéressants sur la façon dont elle a évolué au fil des éons, dit Benjamin. « Pour moi, c’est tout aussi excitant. »

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L’archéologie hongroise à travers les yeux de Gaia

Au cours d’entretiens, Benjamin, Malhan et d’autres astronomes ont loué à plusieurs reprises le vaisseau spatial Gaia pour son poids révolutionnaire dans le déchiffrement de l’histoire de notre galaxie. Malhan souligne qu’il y a à peine dix ans, la première fusion connue avec notre Voie lactée a eu lieu il y a 6 milliards d’années, lorsque la galaxie naine du Sagittaire est tombée dans notre galaxie. Précisément Cartographie des étoiles par Gaia Cependant, à partir d’étoiles de plus en plus faibles, les astronomes ont découvert en 2019 des débris issus d’une fusion GSE il y a 10 milliards d’années. La prétendue infusion de Shiva et Shakti révélée par Gaia il y a 12 milliards d’années ramène les astronomes dans le temps.

« C’est comme si quelqu’un disait : ‘Nous allons vous offrir chaque année une nouvelle paire de lunettes, qui amélioreront votre vision chaque année' », explique Benjamin. « Pense à quel point tu es excité. »

« Tous les outils et les connaissances que nous appliquons aujourd’hui existaient dans une certaine mesure il y a dix ans », ajoute Malhan. Cependant, les données de Gaia fournissent les vues les plus claires à ce jour de notre galaxie remontant à ses tout premiers débuts, dit-il. « C’est grâce à Gaia. »

Bien sûr, notre Voie lactée n’est pas la seule galaxie à avoir l’habitude de cannibaliser ses plus petits membres. Les astronomes savent grâce aux simulations cosmologiques que chaque galaxie évolue – et parfois se déchire – à travers des fusions qui se produisent sur des milliards d’années. Cependant, la rapidité avec laquelle une galaxie grandit ou meurt dépend en grande partie de facteurs exclusifs à sa situation dans notre univers, tels que la dispersion de son habitat avec d’autres galaxies.

« Chaque galaxie a sa propre histoire », explique Benjamin. « Mais ce qui est spécial dans notre galaxie, c’est que nous pouvons reconstituer son histoire. »

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