La dualité onde-corpuscule aussi appelée dualité onde-particule est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter parfois des propriétés d’ondes et parfois des propriétés de corpuscules et de particules. La manifestation de ces propriétés ne dépend pas seulement de l’objet étudié isolément, mais aussi de tout l’appareillage de mesure utilisé. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique. Le cas d’école est celui de la lumière, qui présente deux aspects complémentaires selon les conditions d’expérience : elle apparaît soit ondulatoire, d’où le concept de longueur d’onde, soit corpusculaire, d’où le concept de photons.
Cette dualité démontre en réalité l’inadéquation – ou plus exactement l’incomplétude – de chacune des conceptions classiques de « corpuscules » ou d’« ondes » pour décrire le comportement des objets quantiques. L’idée de la dualité prend ses racines dans un débat remontant aussi loin que le xviie siècle, quand s’affrontaient les théories concurrentes de Christian Huygens, qui considérait que la lumière était composée d’ondes, et celle d’Isaac Newton, qui considérait la lumière comme un flot de corpuscules. La dualité onde-corpuscule est introduite en 1909 par Albert Einstein pour la lumière.
À la suite des travaux d’Einstein, de Louis de Broglie et de bien d’autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une double nature d’onde et de corpuscule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu’à l’échelle des systèmes quantiques. Wikipedia
Le fait que des particules, telles des atomes, puissent se comporter comme des ondes, est illustré par le concept de paquet d’onde ou wave packet . La dualité onde-corpuscule vient du fait que les analogies classiques de l’onde (associée à une vague sur l’eau) et du corpuscule (associé à une bille) sont incompatibles : intuitivement et ontologiquement, elles ne peuvent caractériser un même objet.
Le phénomène d’une onde sur l’eau peut certes être considéré comme compatible avec le caractère corpusculaire des molécules composant l’eau ; néanmoins il s’agit là d’un phénomène d’échelle, le caractère ondulatoire observé sur l’eau découlant de la quantité de molécules d’eau composant le milieu, et non de chaque molécule.
Or au début de la physique quantique, les expériences montraient pourtant que les phénomènes observés présentaient intrinsèquement ces deux propriétés apparemment opposées.
Le concept de la dualité onde-corpuscule vient du fait que les analogies classiques de l’onde (associée à une vague sur l’eau) et du corpuscule (associé à une bille) sont incompatibles : intuitivement et ontologiquement, elles ne peuvent caractériser un même objet.
Le phénomène d’une onde sur l’eau peut certes être considéré comme compatible avec le caractère corpusculaire des molécules composant l’eau ; néanmoins il s’agit là d’un phénomène d’échelle, le caractère ondulatoire observé sur l’eau découlant de la quantité de molécules d’eau composant le milieu, et non de chaque molécule.
Aujourd’hui les physiciens peuvent prédire comment un paquet d’ondes évoluera dans le temps en utilisant l’équation proposée par Erwin Schrödinger . Celle-ci, essentiellement une équation d’onde, décrit la forme des ondes de probabilité ou fonctions d’ondes qui gouvernent le mouvement des petites particules. Elle précise comment ces ondes sont altérées par des influences extérieures.
Il en résulte qu’analyser la façon dont un atome peut se comporter en tant que paquet d’onde permet de mieux le contrôler et mieux se le représenter sous forme d’image (l’ « imager »).
Tarik Yefsa du CNRS et de l’Ecole Normale Supérieure de Paris et des collègues ont imaginé de refroidir des atomes de lithium à une température proche du zéro absolu de façon à ce qu’ils acquièrent des propriétés quantiques. Pour ce faire, ils ont placé des atomes dans une petite chambre sans air, puis les ont frappé avec des lasers et des champs magnétiques de façon à abaisser au maximum leur température .
Avec les mêmes techniques, ils ont analysé les états quantiques de ces atomes et leur forme en tant qu’ondes, en veillant à ce qu’ils ne se rapprochent pas trop les uns des autres et conservent leur individualité initiale.
Ils ont constaté que les atomes se comportaient initialement comme des points aux frontières bien arrêtées puis perdaient progressivement leur cohérence et devenaient lentement plus confus en s’élargissant de telle sorte qu’ils ressemblaient de plus en plus à des ondes.
Les atomes de cette nature font partie de la vaste catégorie des fermions . Les physiciens se demandent actuellement s’ils n’interviennent pas dans la formation de la matière quantique composant les étoiles à neutrons. Ils auraient pu participer également à la « soupe » de particules hautement interactives apparue peu après le Big Bang.
Référence
[Submitted on 8 Apr 2024]
In-situ Imaging of a Single-Atom Wave Packet in Continuous Space
Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, Tarik Yefsah
The wave nature of matter remains one of the most striking aspects of quantum mechanics. Since its inception, a wealth of experiments has demonstrated the interference, diffraction or scattering of massive particles. More recently, experiments with ever increasing control and resolution have allowed imaging the wavefunction of individual atoms. Here, we use quantum gas microscopy to image the in-situ spatial distribution of deterministically prepared single-atom wave packets as they expand in a plane. We achieve this by controllably projecting the expanding wavefunction onto the sites of a deep optical lattice and subsequently performing single-atom imaging. The protocol established here for imaging extended wave packets via quantum gas microscopy is readily applicable to the wavefunction of interacting many-body systems in continuous space, promising a direct access to their microscopic properties, including spatial correlation functions up to high order and large distances.
| Comments: | 12 pages, 11 figures |
| Subjects: | Quantum Physics (quant-ph); Quantum Gases (cond-mat.quant-gas); Atomic Physics (physics.atom-ph) |
| Cite as: | arXiv:2404.05699 [quant-ph] |
| (or arXiv:2404.05699v1 [quant-ph] for this version) | |
| https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699 Focus to learn more |
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