Intrication quantique et effet tunnel macroscopiques dans le cristal de KHCO3

Une question hante la mécanique quantique depuis plus de quatre-vingts ans: existe-t-il une limite supérieure en taille et en complexité pour qu’un système manifeste de l’intrication quantique ? Sans avoir la prétention d’apporter une réponse définitive, les études expérimentales que nous présentons montrent, à notre avis, que l’intrication quantique est intrinsèque à un cristal de KHCO₃ pour un nombre d’atomes de l’ordre de la constante d’Avogadro et au-delà de la température ordinaire.

Le cristal de KHCO₃ est composé de dimères centrosymétriques (HCO₃^–)₂ liés par des liaisons hydrogène moyennement fortes et séparés par l’empilement des ions K⁺. Le sous réseau de protons possède les propriétés suivantes:

1- Tous les sites sont indiscernables;

2- La dynamique est séparée adiabatiquement de celle des atomes lourds;

3- Ce sont des fermions;

4- Ils sont totalement dégénérés.

Ces propriétés conduisent à l’intrication quantique de l’ensemble du sous réseau en une superposition d’états macroscopiques. Le postulat de symétrie de la mécanique quantique conduit à des états de spin virtuels qui peuvent être observés par diffraction de neutrons. Nous présenterons les interférences quantiques effectivement observées et comment elles sont corrélées à la structure du sous réseau. Nous montrerons également que ces interférences ne sont plus observées pour le sous réseau de deutérons (bosons) dans KDCO₃.

A basse température, tous les protons occupent les sites marqués d’une flèche sur la figure. Lorsque la température augmente, ils se distribuent dans deux sites séparés de 0.6 Å le long de la liaison hydrogène. Le transfert se fait par effet tunnel à travers une barrière de potentiel de 5000 cm^-1. Ceci n’affecte en rien l’intrication quantique et conduit à une superposition d’états tunnel macroscopiques, analogue au chat de Schrödinger.

Le sous réseau de protons est donc un objet quantique intrinsèque au cristal. Cet objet est dépourvu de dynamique interne: il est « super-rigid ». Il ajoute un solide cristallin à la liste des systèmes présentant des comportements quantiques macroscopiques: superfluides, supraconducteurs, BEC…

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