Mesurer la gravitation à l'échelle du micron

De nos jours, certaines mesures expérimentales les plus sensibles dépendent de phénomènes quantiques qui peuvent alors être exploités subtilement pour gagner de la précision. Lors d'une expérience conduite à l'Université de Florence, le phénomène utilisé s'appelle l'oscillation de Bloch.

Cet effet singulier survient quand des particules assujetties à un potentiel périodique sont exposées à une force statique supplémentaire, par exemple une force électrique. Contrairement à ce que l'on pourrait supposer, tous les électrons ne se déplacent pas dans la direction de la force, mais oscillent dans les deux sens.


Dans l'expérience entreprise par Guglielmo Tino et ses collègues de Florence, les particules étaient des atomes de strontium super froids confinés dans un piège optique orienté verticalement et constitué de rayons laser entrecroisés. La force statique était simplement la force de gravitation attirant les atomes vers le bas (voir la figure).

Qu'a apporté de neuf cette expérience ? Tout d'abord, bien que des oscillations de Bloch aient déjà été observées auparavant, elles n'avaient jamais duré aussi longtemps, 10 secondes en l'occurence. Les expériences qui associent la mécanique quantique et la gravitation sont rares.

En outre, bien que le nuage d'atomes de Strontium utilisés n'existât pas sous forme de condensat de Bose-Einstein (BEC), les atomes ont absorbé la lumière du piège de façon cohérente, stimulée (et non pas aléatoirement). Ils réémettaient rapidement la lumière et absorbaient ensuite un autre photon. Le nombre de photons par atome transféré de cette façon (par milliers plutôt que par dizaines) est le plus grand jamais constaté dans une expérience de physique.

Enfin, l'observation attentive des oscillations de Bloch a permis de mesurer l'intensité de la force statique, la gravité donc, avec une précision élevée atteignant le millionième.

Avec les améliorations prévues du dispositif, les chercheurs pourront étudier les atomes dans quelques microns d'une masse d'essai et mesurer la valeur de g avec une incertitude de 0,1 millionième. Dans ces conditions, il deviendrait possible de tester les théories qui prétendent qu'à cette échelle, la gravité doit s'écarter des normes newtoniennes, signifiant peut-être en cela l'existence de dimensions spatiales supplémentaires.

Selon Tino, cette approche permet, à la différence des expériences qui utilisent des balances de torsion, de mesurer de façon directe la gravité et sur des distances plus faibles. Le piège à atomes devrait également s'avérer utile pour de futurs systèmes de guidage inertiel et d'horloges optiques.