Les physiciens théoriciens introduisent couramment des particules et des champs fictifs dans leurs calculs, en vue de compléter une théorie ou simplement de la rendre plus élégante. Un exemple frappant concerne le monopôle magnétique imaginé par Dirac en 1931 : une source ponctuelle de champ magnétique, absente de l’électromagnétisme classique. Alors que le monopôle de Dirac n’a jamais été observé dans la nature, il apparaît artificiellement dans divers contextes physiques, en particulier à l’état solide.
En 2018, Giandomenico Palumbo et Nathan Goldman (Faculté des sciences, ULB) ont proposé un schéma expérimental par lequel des monopôles « tenseurs » exotiques, initialement introduits dans la théorie des cordes, peuvent être créés et observés en laboratoire. Ces monopôles tensoriels sont des sources ponctuelles de champs magnétiques généralisés (appelés champs de Kalb-Ramond) vivant dans un espace à quatre dimensions, et ils apparaissent naturellement dans le cadre mathématique de la théorie des cordes. Le résultat central de Palumbo-Goldman, publié dans le Lettres d’examen physique en 2018, est que des monopôles tensoriels peuvent être créés artificiellement en manipulant un système quantique simple, tel qu’un atome à trois niveaux couplé par des lasers.
Dans une nouvelle publication en La science, l’équipe de Paola Cappellaro (MIT) décrit l’implémentation expérimentale du modèle de Palumbo-Goldman, ainsi que l’observation et la caractérisation du monopôle tenseur associé. Dans cette expérience, l’équipe manipule un atome artificiel réalisé par un défaut dans le diamant (un centre de lacune d’azote ou centre NV). À l’aide de cette configuration quantique hautement contrôlable, les expérimentateurs ont préparé le monopôle synthétique, mesuré le champ de Kalb-Ramond émanant et déterminé la charge quantifiée du monopôle (un nombre entier défini par la topologie).
Ce travail illustre comment un simulateur quantique peut être exploité en vue d’étudier des structures physiques abstraites et complexes, initialement introduites dans le cadre de la physique mathématique.
Mo Chen et al, Une source de monopole synthétique du champ de Kalb-Ramond dans le diamant, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abe6437