Gel quantique bidimensionnel
Nouvelles possibilités pour la conception de capteurs ultrasensibles
Des chercheurs de l'ETH Zurich et de TII Abu Dhabi, avec le soutien de théoriciens de l'optique quantique d'Innsbruck, en Autriche, ont réussi à refroidir simultanément le mouvement d'une minuscule sphère de verre en deux dimensions jusqu'à l'état fondamental quantique. Il s'agit d'une étape cruciale vers le refroidissement 3D à l'état fondamental d'un objet massif, qui ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de capteurs ultrasensibles.
La chambre à vide avec le dispositif expérimental permettant de faire léviter une particule à l'intérieur d'une cavité. La cavité est constituée de deux miroirs recouverts d'un revêtement extrêmement réfléchissant pour la lumière infrarouge. La partie cylindrique au centre contient une lentille à son extrémité.
Johannes Piotrowski
Les nanoparticules de verre piégées par des lasers dans un vide extrême sont considérées comme une plateforme prometteuse pour explorer les limites du monde quantique. Depuis l'avènement de la théorie quantique, la question de savoir à partir de quelle taille un objet commence à être décrit par les lois de la physique quantique plutôt que par les règles de la physique classique est restée sans réponse.
Une équipe formée par Lukas Novotny (Zurich), Markus Aspelmeyer (Vienne), Oriol Romero-Isart (Innsbruck) et Romain Quidant (Zurich) tente de répondre précisément à cette question dans le cadre du projet ERC-Synergy Q-Xtreme. Une étape cruciale sur la voie de cet objectif consiste à réduire autant que possible l'énergie stockée dans le mouvement de la nanoparticule, c'est-à-dire à refroidir la particule jusqu'à l'état fondamental quantique.
Contrôle de toutes les dimensions du mouvement
L'équipe Q-Xtreme travaille depuis longtemps sur le refroidissement des nanoparticules à l'état fondamental. Plusieurs expériences menées à Zurich et à Vienne, étayées par des calculs théoriques effectués par le Dr Gonzalez-Ballestero et le professeur Romero-Isart de l'université d'Innsbruck, ont conduit aux premières démonstrations du refroidissement d'une nanoparticule à l'état fondamental, soit en amortissant le mouvement de la particule à l'aide d'un contrôle électronique (rétroaction active), soit en plaçant la particule entre deux miroirs (refroidissement par cavité). Jusqu'à présent, dans les expériences, l'état fondamental n'a été atteint que dans l'une des trois directions du mouvement de la particule, laissant le mouvement dans les deux autres directions "chaud".
"L'obtention d'un refroidissement de l'état fondamental dans plus d'une direction est essentielle pour l'exploration de la nouvelle physique quantique", souligne Mme Gonzalez-Ballestero, de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences et du département de physique théorique de l'université d'Innsbruck. "Mais jusqu'à présent, cette réalisation est restée insaisissable car il était difficile de faire en sorte que les miroirs entre lesquels la particule est positionnée interagissent efficacement avec le mouvement dans certaines des trois directions.
Des fréquences différentes pour atteindre l'objectif
Les chercheurs du Laboratoire de photonique de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à refroidir une nanoparticule à l'état fondamental dans deux directions de mouvement. Une sphère de verre, environ mille fois plus petite qu'un grain de sable, est complètement isolée de son environnement dans un vide poussé et maintenue par un faisceau laser fortement focalisé tout en étant simultanément refroidie à un niveau proche du zéro absolu. En se basant sur les prédictions théoriques de l'équipe d'Innsbruck, les physiciens suisses ont réussi à contourner le problème de l'état d'obscurité. "Pour ce faire, nous avons conçu les fréquences auxquelles la particule oscille dans les deux directions de manière différente et avons soigneusement ajusté la polarisation de la lumière laser", explique Lukas Novotny de l'ETH Zurich.
Les travaux, publiés dans Nature Physics, démontrent qu'il est possible d'atteindre l'état d'énergie minimale pour les trois directions de mouvement. Il permet également de créer des états quantiques fragiles dans deux directions, qui pourraient être utilisés pour créer des gyroscopes et des capteurs ultrasensibles.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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