Renverser le temps dans un système chaotique

En résonance magnétique nucléaire (RMN) conventionnelle, où les systèmes sont faiblement aimantés, les techniques faisant intervenir un « renversement du temps » au cours de l’évolution de l’aimantation sont largement utilisées et se trouvent, notamment, à la base de l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Par exemple, on sait provoquer une disparition contrôlée du signal radiofréquence détecté en appliquant un champ magnétique statique non uniforme puis, en inversant la direction de ce dernier, provoquer la réapparition du signal sous forme d’un écho. Le profil de cet écho contient alors une information sur la répartition spatiale de l’aimantation au sein de l’échantillon qui est exploitée pour en construire une image. Mais les techniques usuelles, efficaces pour les systèmes au comportement temporel régulier, ne conviennent pas pour les systèmes fortement aimantés où les couplages magnétiques intervenant entre les différentes parties de l’échantillon induisent une dynamique très complexe et parfois chaotique. De faibles perturbations initiales peuvent en effet évoluer catastrophiquement vers un très grand désordre, provoquant une disparition brutale du signal détecté et l’aimantation, devenue instable, échappe à tout contrôle extérieur par les champs appliqués.

Une équipe du laboratoire Kastler Brossel étudie ces instabilités dans un liquide fortement aimanté original, obtenu par dissolution d’atomes hélium-3 hyperpolarisés (i.e., dont le spin nucléaire a été très efficacement orienté par laser) dans de l’hélium-4 superfluide. Avec l’aide de Mike Hayden (Université de Vancouver, Canada), elle a réussi une expérience de renversement du temps dans ce fluide magnétique modèle en adaptant une séquence d’impulsions de radiofréquence sophistiquée très particulière, le « sandwich magique », développée dans les années 70 pour la RMN du solide. Pour la première fois, après une phase d’évolution libre instable, l’aimantation a pu être efficacement forcée à évoluer à rebours et des échos de spin ont été observés bien au-delà de la disparition du signal, qui survient en quelques centièmes de seconde. Une stabilisation dynamique de l’aimantation moyenne a également été obtenue pendant plusieurs dizaines de secondes, grâce à des trains de « sandwichs magiques » enchaînés, démontrant de manière spectaculaire que l’alternance rapide de phases d’évolution libre et d’évolution à rebours permettait d’allonger considérablement la durée de vie du signal (en l’occurrence, plus de mille fois).

Ce système modèle et ces méthodes originales constituent un nouvel outil pour l’étude approfondie et le contrôle efficace des instabilités RMN dans les liquides aimantés, dont l’importance devient croissante en recherche fondamentale (étude de fluides quantiques polarisés tels que certains condensats de Bose-Einstein ou l’Hélium-3 superfluide, amplification de signaux magnétiques ultra-faibles pour la mesure du moment dipolaire de l’électron, …) ou appliquée (préservation de l’efficacité des séquences en spectrométrie RMN à très haute résolution, nouveaux mécanismes de contraste en IRM, …).