Record du monde : une nanomembrane pour la métrologie quantique du futur
Les systèmes nanomécaniques ont désormais atteint un niveau de précision et de miniaturisation qui leur permettra d'être utilisés à l'avenir dans des microscopes à force atomique à ultra-haute résolution
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Une avancée majeure dans la technologie de la mesure commence par un espace minuscule de seulement 32 nanomètres. C'est la distance entre une membrane d'aluminium mobile et une électrode fixe, qui forment ensemble un condensateur à plaques parallèles extrêmement compact - un nouveau record mondial. Cette structure est destinée à être utilisée dans des capteurs de haute précision, tels que ceux requis pour la microscopie à force atomique.
Ulrich Schmid, MinHee Kwon, Daniel Platz
© TU Wien
Mais ce record mondial est plus qu'un simple exploit de miniaturisation : il s'inscrit dans une stratégie plus large. La TU Wien développe diverses plates-formes matérielles pour rendre la détection quantique plus facile à utiliser, plus robuste et plus polyvalente. Dans les expériences optomécaniques classiques, le mouvement de minuscules structures mécaniques est lu à l'aide de la lumière. Cependant, les installations optiques sont délicates, complexes et difficiles à intégrer dans des systèmes compacts et portables. La TU Wien s'appuie donc sur d'autres types d'oscillations que les oscillations optiques [DP1], qui conviennent mieux aux capteurs compacts.
Repousser les limites de la physique quantique
Dans la structure record comportant le condensateur de 32 nanomètres, ce rôle est assumé par un circuit électrique résonant. Dans d'autres expériences, l'équipe de la TU Wien utilise des résonateurs purement mécaniques dont les vibrations peuvent être délibérément couplées les unes aux autres.
Les deux plateformes poursuivent le même objectif : affiner les nanostructures mécaniques et électromécaniques jusqu'à ce qu'elles permettent un jour de réaliser des mesures limitées uniquement par les lois fondamentales de la physique quantique.
Des mesures ultra-précises grâce aux vibrations
Lorsqu'on frappe un tambour, sa membrane vibre. Le son qu'elle produit révèle à quel point elle est tendue. "De la même manière, les vibrations de notre nanomembrane sont influencées par différents paramètres", explique Daniel Platz, de l'Institut des systèmes de capteurs et d'actionneurs de l'Université technique de Vienne, qui a dirigé le projet avec Ulrich Schmid. "Notre membrane d'aluminium forme un minuscule condensateur avec une électrode. Combinée à un inducteur, elle crée un circuit résonant dont la résonance est extrêmement sensible à toute modification de la vibration mécanique."
Ce couplage entre le mouvement de la membrane et le circuit électrique résonnant permet de mesurer des vibrations extrêmement faibles. Normalement, de telles mesures sont toujours affectées par des incertitudes de bruit provenant de différentes sources. La température peut introduire du bruit, et les signaux optiques ou électriques sont intrinsèquement bruyants parce qu'ils sont constitués de particules discrètes. Alors que les méthodes de mesure optique peuvent en principe être très précises, les structures mises au point à l'Université technique de Vienne atteignent désormais des performances supérieures en matière de bruit, limitées uniquement par les lois de la physique quantique, sans avoir recours à des composants optiques.
Cela fait de cette technologie un partenaire idéal pour la microscopie à force atomique. Dans un microscope à force atomique, une fine pointe se déplace juste au-dessus d'une surface. Les forces infimes entre les atomes de la surface et la pointe génèrent des vibrations, dont la mesure permet d'obtenir une image extrêmement précise de la surface. "Nous remplaçons les mesures optiques par des mesures du circuit résonant électrique, sans aucun composant optique encombrant", explique Ioan Ignat, qui a travaillé sur le projet avec MinHee Kwon. Tous deux sont actuellement doctorants à la TU Wien.
Ouvrir la porte au monde quantique
En fait, même le circuit électrique résonnant n'est pas strictement nécessaire. En utilisant une structure différente, l'équipe a démontré que des systèmes purement mécaniques intégrés à une puce peuvent également être utilisés à la place. "Du point de vue de la théorie quantique, il n'y a pas de différence fondamentale entre les oscillations électromagnétiques et les vibrations mécaniques : mathématiquement, les deux peuvent être décrites de la même manière", explique MinHee Kwon.
Cela permet également d'éviter le problème des circuits électriques résonnants dans la détection quantique, qui doivent souvent être refroidis à des températures extrêmement basses. "Même à température ambiante, les vibrations d'un système purement micromécanique peuvent être couplées sur une plage de fréquences de l'ordre du GHz sans que le bruit thermique ne vienne perturber les effets du couplage", explique Daniel Platz. "C'est remarquable, car de nombreuses expériences de détection quantique existantes ne fonctionnent qu'à proximité du zéro absolu.
"Nos résultats nous rendent extrêmement optimistes pour l'avenir", déclare Daniel Platz. "Nous avons maintenant démontré que nos nanostructures possèdent les propriétés clés nécessaires à la fabrication d'une nouvelle génération de capteurs quantiques fiables et extrêmement précis. La porte du monde quantique est désormais ouverte et nous sommes impatients de voir ce qui nous y attend".
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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