Mesurer le temps au niveau quantique

«Le concept du temps préoccupe les philosophes, les physiciennes et physiciens depuis des millénaires, et l’avènement de la mécanique quantique n’a pas simplifié le problème, déclare Hugo Dil, professeur à l’EPFL. Le cœur du problème est le rôle général du temps en mécanique quantique, et en particulier l’échelle de temps associée à une transition quantique.»

Les événements quantiques, comme l’effet tunnel ou le changement d’état d’un électron par absorption d’un photon, se produisent à des vitesses vertigineuses. Certains ne prennent que quelques dizaines d’attosecondes (10^-18 secondes), un intervalle si bref que la lumière ne parcourrait même pas la largeur d’un petit virus.

Mesurer des intervalles de temps aussi courts est d’autant plus difficile que tout outil de chronométrage externe peut déformer ce que l’on cherche à observer. «Bien que le prix Nobel de physique 2023 montre que nous pouvons accéder à des temps aussi courts, l’utilisation d’une telle échelle temporelle externe risque d’induire des artefacts, affirme Hugo Dil. Ce problème peut être résolu en utilisant des méthodes d’interférence quantique, basées sur le lien entre la phase accumulée et le temps.»

Hugo Dil a mené des recherches qui ont permis de mesurer avec précision le temps associé à des événements quantiques. Lorsque les électrons absorbent un photon et quittent un matériau, ils emportent des informations sous forme de spin, qui change en fonction du déroulement du processus quantique sous-jacent. En observant ces infimes changements, l’équipe a pu calculer la durée de la transition, sans utiliser d’horloge externe.

«Ces expériences ne nécessitent aucune référence externe ni horloge. Elle donnent une mesure de temps nécessaire pour que la fonction d’onde d’un électron évolue de son état initial à son état final ayant une énergie supérieure due à l’absorption d’un photon», précise Fei Guo, principale auteure de l’étude.

Le principe est le suivant : lorsque la lumière excite un électron, celui-ci peut emprunter plusieurs trajectoires quantiques différentes à la fois. Ces trajectoires interfèrent les unes avec les autres, et cette interférence apparaît sous forme d’un motif spécifique dans le spin de l’électron émis. En étudiant comment ce motif de spin change avec l’énergie de l’électron, l’équipe a pu calculer la durée de la transition.

Les scientifiques ont utilisé une technique appelée «spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle» (SARPES). La SARPES consiste à projeter une lumière synchrotron intense sur un matériau. Cette lumière pousse les électrons vers une énergie plus élevée, les forçant à sortir du matériau. Ainsi, l’énergie, la direction et le spin des électrons sortants sont mesurés par la SARPES.

L’équipe a testé des matériaux de différentes «formes» atomiques. Certains sont entièrement tridimensionnels, comme le cuivre ordinaire. D’autres, comme le diséléniure de titane (TiSe₂) et le ditellurure de titane (TiTe₂), sont constitués de couches faiblement liées et se comportent davantage comme des feuilles plates. Le tellurure de cuivre (CuTe) présente une structure en chaîne encore plus simple. Ces différences en font des matériaux parfaits pour tester l’influence de la géométrie sur le timing.

Les résultats ont montré un schéma clair: plus la structure du matériau est « simple », avec une symétrie réduite, plus la transition quantique dure longtemps. Dans le cuivre 3D ordinaire, la transition a été extrêmement rapide et a duré environ 26 attosecondes.

Dans les deux matériaux en couches, TiSe₂ et TiTe₂, le processus a considérablement ralenti à environ 140-175 attosecondes. Et dans le CuTe, la transition a duré au-delà de 200 attosecondes. Cela signifie que la «forme» du matériau à l’échelle atomique influe fortement sur la rapidité avec laquelle l’événement quantique se déroule, avec des structures à symétrie réduite entraînant des temps de transition plus longs.

Hugo Dil explique: «En plus de fournir des informations fondamentales sur ce qui détermine le délai temporel dans la photoémission, nos résultats expérimentaux apportent un nouvel éclairage sur les facteurs qui influencent le temps au niveau quantique et sur la mesure dans laquelle les transitions quantiques peuvent être considérées comme instantanées. Ils pourraient ouvrir la voie à une compréhension définitive du rôle du temps en mécanique quantique.»

Les résultats offrent une nouvelle façon de comprendre le comportement du temps dans les processus quantiques. Ils fournissent également un outil permettant d’étudier comment les électrons interagissent dans des matériaux complexes. Savoir combien de temps dure une transition quantique peut aider les scientifiques à concevoir des matériaux présentant des caractéristiques quantiques spécifiques et à améliorer les technologies futures qui reposent sur un contrôle précis des états quantiques.

Autres contributeurs

• Centre des sciences ultrarapides (LACUS) de Lausanne
• Institut Paul Scherrer
• CY Cergy Paris Université
• Université Paris-Saclay
• Université de Bohême de l’Ouest
• Université de Tokyo