Des chercheurs détectent de minuscules mouvements atomiques dans les cristaux
Ces résultats ouvrent de nouvelles voies pour l'étude des processus ultrarapides dans les matériaux
Une équipe de chercheurs de l'université technique de Dortmund, de l'université de Paderborn et de l'université de Nottingham a mis au point une nouvelle méthode optique pour détecter les mouvements atomiques ultra-faibles. L'expérience réalisée à Dortmund a démontré la sensibilité sans précédent de la détection des mouvements atomiques dans les cristaux en exploitant les interférences lumineuses. Les résultats, récemment publiés dans Nature Materials, ouvrent de nouvelles voies pour l'étude des processus ultrarapides dans les matériaux.
Les mesures optiques précises s'appuient sur des interféromètres, où le faisceau sondant une distance intéressante interfère avec un faisceau de référence parcourant un chemin fixe. Cela permet d'évaluer la différence de longueur de trajet des deux faisceaux avec une grande précision. Un exemple frappant est celui des interféromètres gravitationnels, qui détectent les ondes gravitationnelles induites par un événement lointain dans l'univers, comme la collision de trous noirs. Pour atteindre la sensibilité souhaitée, l'interféromètre LIGO a une longueur géométrique de 4 kilomètres, qui est portée à 1 120 kilomètres en faisant passer les faisceaux plusieurs fois dans l'interféromètre. Cela permet de mesurer des variations relatives de la longueur des bras de l'interféromètre de l'ordre de 10-²², ce qui correspond à environ 10-¹⁸ mètres. Il s'agit d'une différence de longueur extrêmement faible, de l'ordre d'un millième du rayon du proton. Cela nécessite également un faisceau laser d'une puissance de 200 watts, amplifié à 700 kilowatts dans le résonateur formé par l'interféromètre.
L'équipe internationale de chercheurs de Dortmund, Paderborn et Nottingham a maintenant réussi à effectuer des mesures interférométriques de déplacements atomiques d'une ampleur absolue comparable, en utilisant comme interféromètre ce que l'on appelle un super-réseau de semi-conducteurs, une structure périodique de couches de semi-conducteurs de l'ordre du nanomètre fabriquée à l'université de Paderborn. La différence décisive est que la taille effective d'un tel interféromètre n'est que de l'ordre de 1 micromètre, et donc un milliard de fois plus petite que les interféromètres gravitationnels. De plus, la puissance moyenne du laser utilisé est également un milliard de fois plus petite, de l'ordre de 1 microwatt seulement.
Dans l'expérience de validation, la détection interférométrique a également été utilisée pour observer un événement lointain. Une impulsion laser de 100 femtosecondes - soit 10-¹³ secondes - a chauffé un film métallique déposé sur une plaque cristalline, provoquant une augmentation de température de 0,1 degré et une dilatation thermique du film de moins de 100 attomètres, soit 10-¹⁶ mètres. "L'onde acoustique générée par cette dilatation thermique minuscule et ultrarapide, qui ne pouvait être détectée par aucune technique expérimentale connue jusqu'à présent, a été détectée avec certitude de l'autre côté de la plaque lorsqu'elle a atteint le super-réseau", explique Marek Karzel, du groupe de travail d'Alexey Scherbakov au département de physique, qui a réalisé l'expérience clé. Son collègue, Anton Samusev, souligne la différence avec l'expérience LIGO : "Contrairement à l'interféromètre LIGO, la méthode développée ne détecte pas des événements individuels, mais nécessite de multiples mesures pour atteindre un rapport signal/bruit suffisant. Toutefois, cette exigence est gérable dans un laboratoire expérimental où les mesures peuvent être répétées des millions de fois par seconde, contrairement aux événements astronomiques où la collision de deux trous noirs ne se produit qu'une seule fois."
Cette recherche ouvre de formidables perspectives pour l'étude des matériaux ainsi que pour la métrologie quantique impliquant des quanta uniques de vibrations du réseau cristallin, connus sous le nom de phonons.
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.
Publication originale
Autres actualités du département science
