Une étude, dont les résultats intitulés «Continuous Cold-Atom Inertial Sensor with 1  nrad/sec Rotation Stability» ont été publiés dans la revue Physical Review Letters, révèle une méthode permettant de dépasser, grâce à une astuce, la limite technologique qui fait que les mesures pratiquées sur les nuages d’atomes froids sont discontinues. Cette technique ouvre des possibilités nouvelles en géoscience et en physique fondamentale, car, par exemple, elle a pu améliorer d’un facteur trente les performances des gyromètres à atomes froids.

Rappelons tout d'abord qu'un gyromètre «est un capteur de rotation essentiel dans de nombreuses applications, telle que la navigation». Aujourd'hui, les instruments les plus précis «sont fondés sur des interférences entre ondes lumineuses se propageant en sens inverse dans un circuit optique, comme un enroulement de fibre optique par exemple». Le principe du dispositif est que, lorsqu'il se trouve en rotation, «une onde acquiert un retard par rapport à l’autre, ce qui conduit à une variation du signal lumineux proportionnel à la vitesse de rotation».

De plus, comme «il est possible de concevoir des dispositifs utilisant des interférences entre ondes de matière (électron, neutron, atome, etc.), plutôt que des interférences d’ondes lumineuses (photon)», car la sensibilité de ce type de gyromètres augmente «avec l’énergie de la particule mise en jeu», il apparaît que «les interféromètres à atomes ont un potentiel de sensibilité de plusieurs ordres de grandeur plus élevé que les interféromètres à photons». Il en résulte que «les interféromètres à atomes froids, où les atomes sont ralentis à quelques cm/s», représentent «une voie prometteuse pour des capteurs de très grande sensibilité».

Cependant, jusqu'ici, ces instruments avaient l'inconvénient de présenter des temps 'morts' qui occasionnaient une perte d’information précieuse: plus précisément, «durant la phase de l’expérience où les atomes sont refroidis par laser, on ne peut accéder à la quantité que l’on cherche à mesurer».

Pour lever «ce verrou technique», l'étude ici présentée a entrelacé «la phase de refroidissement et la phase de mesure de rotation, en prenant soin de correctement raccorder les mesures successives, d’où le nom de 'mesures jointives'» donné à cette méthode. Afin que «la mesure ne soit pas perturbée par la préparation de l’échantillon suivant», l’état quantique des atomes refroidis a été sélectionné «astucieusement avant qu’ils ne pénètrent dans la zone de mesure», et «leur détection en sortie de cette zone» finement synchronisée.

Ainsi, «le dispositif expérimental du SYRTE utilise des superpositions quantiques où un atome est séparé en deux sur une distance de l’ordre du centimètre». Ce type de «superposition quantique macroscopique» sert à «démontrer l’efficacité de la méthode jointive sur un instrument ultra-sensible et d’atteindre un niveau de performance trente fois meilleur que le précédent record». En pratique, le gyromètre du SYRTE permet «de mesurer des variations infimes de vitesse de rotation, 50 000 fois plus petites que la vitesse de rotation terrestre moyenne, en trois heures de mesure».

Parmi les nouvelles perspectives d’applications des capteurs à atomes froids, on peut citer en physique fondamentale, l'emploi de ces nouvelles méthodes «pour mettre au point de futurs détecteurs terrestres d’ondes gravitationnelles utilisant des atomes refroidis par laser».

Une étude, dont les résultats intitulés «Tsunami waves extensively resurfaced the shorelines of an early Martian ocean» ont été publiés dans la revue Scientific Reports, a permis d'apporter des éléments d'explication de l'absence de détection des rivages de l'hypothétique océan de Mars à l'Hespérien: des tsunamis semble avoir pu brouiller les cartes en remodelant les anciens paysages martiens et en érodant les reliefs côtiers.

Rappelons qu'on suppose que Mars, il y a environ 3,4 milliards d’années, possédait un «immense océan recouvrant les basses terres de l’hémisphère nord». Ce scénario pose, cependant, un problème car on ne parvient pas à observer «une ligne de côte clairement dessinée à la surface» de cette planète. Une explication de cette absence est apportée par l'étude ici présentée.

En effet, «en analysant les images géomorphologiques et thermiques des régions de Chryse planitia et du nord-ouest d’Arabia Terra, situées dans les plaines boréales de Mars, et en les combinant avec des simulations numériques», plusieurs cratères d’impact d’environ 30 kilomètres de diamètre, qui se seraient formés à l'intérieur de «cet hypothétique ancien océan martien» tous les 3 millions d’années environ «vers la fin de l’Hespérien (la deuxième époque de l’histoire géologie martienne), il y a quelque 3,4 milliards d’années», ont été repérés. Il résulte que les impacts de ces météorites «auraient engendré des vagues de quelque 50 mètres de haut à l’approche des rivages».

Pour l'instant, dans la zone étudiée, seuls des indices de deux tsunamis ont été retrouvés. Cependant, selon l'étude, «d’autres régions des plaines du nord ont probablement connu des événements semblables qui ont remodelé leurs paysages côtiers». Il est donc envisageable que les impacts de météorites ont pu provoquer «d’importants glissements de terrain ou des séismes majeurs» qui ont «contribué à redessiner la carte du territoire martien».

Une étude, dont les résultats intitulés «There are many ways to spin a photon: Half-quantization of a total optical angular momentum» ont été publiés dans la revue Science Advances, a permis de confirmer première fois que, dans certaines conditions, les photons peuvent présenter un moment cinétique demi-entier à l'instar des fermions qui ont un spin demi-entier, un effet prédit dès les années 1980.

Rappelons tout d'abord que la mécanique quantique sépare les fermions, ces «grains de matière que sont électrons, quarks et neutrinos», dotés d'un spin demi-entier, des bosons, comme les photons, qui ont un spin (moment cinétique) entier.

Néanmoins, il existe deux modes «pour un champ électromagnétique de transporter du moment cinétique»: en effet, au premier mode, qui confère au photon un spin 1, dans lequel le front d’onde accompagnant la propagation selon un rayon lumineux reste fixe par rapport à sa direction de propagation, il faut ajouter un second mode où le front est en rotation par rapport à la direction de propagation.

Pour comprendre ces deux façons pour une onde d’avoir un moment cinétique, on peut prendre l'image de la Terre: sa rotation «peut être appelé son spin, comme pour un photon», alors que son mouvement de révolution autour du soleil «lui confère un moment angulaire orbital».

L'étude ici présentée a analysé «cette décomposition possible du moment cinétique total de la lumière en spin et moment angulaire orbital dans le cadre de la théorie quantique» en s'inspirant d'une «découverte des années 1830 faite par le grand mathématicien irlandais William Rowan Hamilton * alors qu’il travaillait sur la théorie de la lumière et ses connexions avec la mécanique des particules».

Cette théorie «de la réfraction conique concernant la façon dont la lumière est courbée lors d'un passage à travers un cristal biaxial» avait été vérifiée expérimentalement des décennies plus tard, par le physicien Humphrey Lloyd ** (1800-1881) . En pratique, elle permet de produire une onde OAM portant un moment angulaire orbital (OAM pour Orbital Angular Momentum, en anglais). C'est ainsi que cette étude a pu montrer, en exploitant ce phénomène grâce au laser, «que tout se passe comme si les photons n’avaient plus un spin entier mais un spin demi-entier en jouant sur la composante du moment cinétique orbital de la lumière laser».

Liens externes complémentaires (sources Wikipedia)

* William Rowan Hamilton

** Humphrey Lloyd

Une étude, dont les résultats intitulés «A new ~ 3.46 Ga asteroid impact ejecta unit at Marble Bar, Pilbara Craton, Western Australia: A petrological, microprobe and laser ablation ICPMS study» ont été publiés dans la revue Precambrian Research, a abouti à la conclusion qu'un énorme astéroïde de 20 à 30 kilomètres de large a frappé la Terre il y a 3,5 milliards d'années.

La démonstration s'appuie sur «la découverte dans des sédiments extraits près de Marble Bar (dans l’Ouest australien), de minuscules perles de verre, appelées sphérules», produites par du matériau vaporisé, qui «témoignent d'un impact d'astéroïde». Ces sphérules «proviennent d'une couche de sédiments datés de 3,46 milliards d'années», qui «a été préservée entre deux couches d'origine volcanique ce qui permet sa datation très précise».

En outre, comme des tests supplémentaires ont déterminé que cette couche «renfermait aussi des minéraux comme du platine, du nickel et du chrome à des teneurs compatibles avec la composition d'un astéroïde», l'hypothèse «selon laquelle ces sphérules de verre ont bien été formées lors d'un colossal impact d'astéroïde» a été confortée.

Pour sa part, «le cratère généré par cet impact n'est pas repérable», car «l'activité volcanique et les mouvements tectoniques» l'ont «gommé de la surface de la Terre». Cependant, «il devait certainement mesurer plusieurs centaines de kilomètres de large». Rappelons ici qu'un «astéroïde presque deux fois plus petit (10 à 15 Km)» est considéré comme responsable de la disparition des dinosaures. De ce fait, il y a 3,5 milliards d'années, l'impact de cet astéroïde plus massif a dû générer «de grands mouvements tectoniques et de vastes flux de magma» dont les conséquences vont devoir être étudiées.

Une étude, dont les résultats intitulés «Hippocampo-cortical coupling mediates memory consolidation during sleep» ont été publiés dans la revue Nature Neuroscience, a permis d'apporter, pour la première fois, la preuve directe que la mémorisation à long terme des souvenirs implique un échange pendant le sommeil entre deux structures du cerveau, l'hippocampe et le cortex.

Indiquons tout d'abord que, si «depuis les années 1950, les principales théories de la mémoire postulent que les souvenirs sont initialement formés dans l'hippocampe, et progressivement transférés dans le cortex pour le stockage à long terme», cette hypothèse «bien qu'étayée par de nombreux travaux expérimentaux» n'avait, jusqu'ici, jamais «été directement validée».

Afin d'apporter cette preuve, l'étude ici présentée, a commencé par enregistrer, dans un premier temps, «l'activité de l'hippocampe et du cortex pendant le sommeil». Il est ainsi apparu «qu'il y avait une corrélation entre des ondes observées dans ces deux structures : lorsque l'hippocampe émet des ondulations, le cortex émet à son tour des ondes delta et des fuseaux de sommeil, comme en une série de questions-réponses».

Dans un second temps, «pour établir un lien avec la mémoire», des rats ont été entraînés «à mémoriser les positions de deux objets identiques dans une pièce». Lors du test effectué le lendemain, «un objet avait été déplacé et les rats devaient déterminer lequel». Ces rongeurs «réussissaient le test s'ils avaient passé 20 minutes sur place le premier jour, mais ils échouaient s'ils n'étaient restés que 3 minutes». Il a été constaté que cette différence se reflétait «dans les couplages entre hippocampe et cortex pendant le sommeil juste après la première exploration» puisqu'ils «étaient plus importants chez les rats qui réussissaient le test le lendemain».

Afin de démontrer «que ces couplages étaient bien la cause de la mémorisation», un dispositif «permettant de détecter en temps réel les ondulations de l'hippocampe et de déclencher aussitôt des ondes delta et des fuseaux de sommeil dans le cortex, c'est-à-dire de produire à volonté des couplages entre ces deux structures» a été mis au point.

Ce dispositif a alors été utilisé «chez des rats entraînés pendant seulement 3 minutes le premier jour, et qui n'étaient donc pas censés se souvenir de l'emplacement des objets le lendemain» et, ainsi, ces rats ont pu parfaitement réussir le test. Cependant, il a été observé que «si un délai variable était introduit entre les ondes hippocampiques et corticales, l'effet disparaissait».

 
De plus, comme «l'activité du cortex pendant l'apprentissage, le sommeil et le test» a été également enregistrée, il est apparu «que certains neurones changeaient leur activité lors du couplage au cours du sommeil, et que le lendemain le cortex répondait à la tâche en s'activant davantage près de l'objet déplacé». En conséquence, cette étude «en démontrant les mécanismes de la mémorisation à long terme», ouvre une voie nouvelle pour «mieux comprendre certains troubles de mémorisation chez l'homme».