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Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

CLOCK WISE / UNE HORLOGE POUR L’UNIVERS

The next clocks will be the measure of everything.

Les horloges à venir seront la mesure de toute chose.

Jun Ye
11 Déc, 2017
Tapuscrit...

Jun Ye – Vraiment, ce qui me stimule pour venir tous les jours au labo, c’est de repousser les frontières des interactions entre lumière et matière, comment nous pouvons maîtriser ces nouvelles frontières, repousser les limites de la physique fondamentale, tant pour certaines questions fondamentales que dans la quête d’une nouvelle physique, et aussi pour rechercher comment la complexité émerge d’un comportement tout à fait normal d’atomes et de molécules mis ensemble, soudain vous voyez en surgir des phénomènes très complexes… Par exemple, nous refroidissons au laser des atomes à des températures très, très basses, où ils bougent à environ un millionième de la température ambiante, et nous plaçons ces atomes, des milliers de ces atomes, dans des pièges optiques arrangés dans un ordre périodique, que nous appelons un réseau optique. Nous plaçons ces atomes un par un dans ces pièges optiques individuels, d’une manière qui peut être très ordonnée, avec très peu d’entropie dans le système, et nous pouvons contrôler extrêmement bien l’état quantique de ces atomes, de telle manière que lorsque nous faisons des mesures sur une horloge atomique en essayant de déterminer la période orbitale d’électrons tournant autour des noyaux, nous prenons soin de nous assurer, pour chaque atome que nous examinons, que les informations fournies par ces atomes sont limitées par les seules lois de la mécanique quantique et non par un quelconque bruit technique. Une fois cela fait, nous pouvons aussi examiner un grand nombre d’atomes en parallèle, ce qui nous permet de gagner beaucoup en force du signal. Et au fur et à mesure que la précision progresse, quand il devient très délicat de décider où rajouter davantage d’atomes dans le système, leur interaction peut être très faible. Et dans notre cas, elle se transforme en interaction forte, pour une bonne raison, c’est qu’en faisant des mesures d’une aussi magnifique précision, d’où l’on a éliminé tout le bruit de fond, lorsque les atomes commencent à interagir entre eux, ils peuvent devenir un problème systémique pour notre horloge.

J’ai coutume d’utiliser cette analogie que lorsqu’une toute petite fleur pousse au milieu d’une herbe très haute, on ne peut pas voir la fleur, sauf si elle pousse assez haut pour qu’on puisse l’admirer ou bien si l’on coupe l’herbe pour en faire un gazon vraiment impeccable et soudain une toute petite fleur s’y détache, c’est de la très belle physique que vous regardez. Et donc d’un côté nous tentons de pousser la précision de nos mesures d’un facteur 10, dans le but d’éplucher une couche de plus à la Nature. D’un autre côté, voici qu’une physique inattendue apparaît en tant que problème, un problème en ce sens qu’elle risque de limiter la précision de nos horloges ! Mais pour d’autres gens, comme certains physiciens de la matière condensée, c’est en fait un phénomène très intéressant, le fait que des atomes interagissent entre eux, parce que brusquement leur bruit de fond devient corrélé et que cela les relie à la physique quantique. Donc voici une expérience où d’un côté nous améliorons la précision des mesures, et de l’autre côté on peut en faire de la recherche sur les matériaux avancés. Mais de plus il y a un tas de mystères dans l’Univers, comme l’existence de la matière noire, l’énergie noire, l’asymétrie fondamentale entre matière et antimatière. Donc si nous arrivons à construire le plus avancé, le plus sensible des instruments et qu’on le laisse là-haut, en orbite dans l’espace et s’il est capable d’entendre si ce sont des ondes gravitationnelles ou de la matière qui le traversent, au beau milieu de l’Univers, que nous sommes à même de détecter, puisque nos atomes seront sensibles aux plus minuscules modifications dans la trame de l’espace-temps, ou l’existence de la matière noire, eh bien nous aurons là un instrument dont l’extrême sensibilité nous permettra de tenter de résoudre quelques-unes des questions qui sont actuellement en suspens.

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Transcript...

Jun Ye – What really makes me excited every day coming to the lab, is to really push the boundaries of how light and matter interact, and how we can harness the new frontiers of light-matter interactions, to push the corners of the fundamental physics as both from understanding some of fundamental questions in symmetry and in the search for new physics and also looking for emergence of complexity from very normal behavior of atoms and molecules coming together and suddenly you have very complex phenomena emerging from it… For example we laser cool atoms to very, very low temperatures, moving at about one billionth of the room temperature, and we load these atoms, thousands of these atoms in optical traps, arranged in a periodical fashion we call optical lattice. Individual atoms are loaded into these individual optical lattice traps, in a way that can be very orderly, that has very little entropy in the system, and we can control the quantum state of these individual atoms extremely well, such that when we are making a measurement of atomic clock which we’re trying to find out orbital time of electrons moving around nucleus, we take pains to making sure, each individual atoms we’re investigating, that the information we’re getting from those atoms are limited only by quantum mechanical laws, and not limited by any technical noise. And once we can do that, we can also investigate many thousands of atoms in parallel, so that allows us to gain a lot more signal strength. And, as the precision goes further, that there’s a minute issues of where you putting more and more atoms in your system, they can have a very weak interactions. And in our case they turn into a strong interaction, the reason being, we were making such a beautiful precise measurements, with all the noise removed from system, and then when the atoms start to interact with each other, they can turn into a systematic issues for our clock!

And I always make analogies that if you have a very little flower that’s growing among very tall grasses, you wouldn’t see the flower unless the flower grows really tall and you will see a beautiful flower, or if you cut down the grasses to a very, very clean lawn, and then suddenly a very little tiny flower stands out there, it’s a beautiful physics that we are looking at… And so, on one hand we are trying to push the measurement precision to the next decimal point, to really allow us to peel the Nature one layer deeper. On the other hand, as you do that, there are unexpected physics that used to be unforeseen, you know, shows up as a problem, and as a problem in a sense of, it could be limiting the accuracy of your clock! But from other people’s perspective, some condensed matter physicists, that’s actually a very interesting phenomena, you have atoms which are interacting with each other, and suddenly their noise become correlated and they become correlated to quantum physics! So, this experiment, on one hand we are pushing the measurement precision, on the other hand you can turn this into an advanced material studies. But also, they are a lot of mysteries out there in the Universe, such as the existence of dark matter, dark energy, the fundamental asymmetry between matter and antimatter. So if you are able to build the most advanced, the most sensitive scientific instrument, and let this sit out there, in orbit of the Earth in space and being able to listen to whether it’s gravitational waves or whether the dark matter is passing through, in the Universe, and then we can detect, because our atoms is so sensitive to any minute changes in the space-time fabric, or the existence of dark matter, then this turns into a very sensitive instrument, for us to try to answer some of the questions that’s outstanding at the moment.

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A physicist at JILA, National Institute of Standards and Technology, and at the University of Colorado at Boulder, Jun Ye has focused his research mostly on ultracold atoms, ultracold molecules and laser-based precision measurement. Together with his team, he has built the most precise atomic clock in the world thus far, with variation of less than one second in 15 billion years. Like a universal tool, the next generation of such clocks could help unravel more and more mysteries of the Universe, both in quantum physics and cosmology, leading hopefully to a new physics.

Physicien au JILA, National Institute of Standards and Technology et à l’université du Colorado à Boulder, Jun Ye se consacre principalement à l’étude des atomes ultra-froids, des molécules ultra-froides et aux mesures laser de haute précision. Il a construit avec son équipe l’horloge atomique la plus précise à ce jour, accusant une variation de moins d’une seconde sur 15 milliards d’années. La prochaine génération de ces horloges pourrait devenir un instrument universel pour éclairer les grands mystères de l’Univers, que ce soit en physique quantique ou en cosmologie, ouvrant peut-être la voie à une nouvelle physique.