Des physiciens parviennent à contrôler les propriétés quantiques d’un objet macroscopique

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| ETH Zurich

Au cours des dernières années, les physiciens ont appris à dompter certaines propriétés des systèmes quantiques microscopiques, notamment à manipuler leur énergie, et donc leurs états quantiques. Mais contrôler ces propriétés au sein d’objets macroscopiques s’avère d’une toute autre complexité. Récemment, des chercheurs suisses sont parvenus à faire léviter une sphère nanométrique via des lasers afin de pouvoir effectuer des manipulations quantiques sur son niveau d’énergie.

Des chercheurs de l’ETH Zürich ont piégé une minuscule sphère mesurant une centaine de nanomètres à l’aide d’un faisceau laser et ralenti son mouvement jusqu’à l’état quantique de plus basse énergie. Cette technique pourrait aider les chercheurs à étudier les effets quantiques dans les objets macroscopiques et à construire des capteurs extrêmement sensibles. Comment des atomes ou des particules élémentaires peuvent-ils se comporter comme des ondes selon la physique quantique ? Comment forment-ils des systèmes en superposition ?

Manipuler les propriétés quantiques d’objets macroscopiques

Et comment ce que nous voyons autour de nous obéit-il évidemment aux lois de la physique classique, où un tel phénomène est impossible ? Ces dernières années, les chercheurs ont incité des objets de plus en plus gros à se comporter de manière quantique. Une conséquence de ceci est que, lors du passage dans une double fente, ces objets forment une figure d’interférence caractéristique des ondes. Jusqu’à présent, cela pouvait être réalisé avec des molécules constituées de quelques milliers d’atomes.

Cependant, les physiciens espèrent un jour pouvoir observer de tels effets quantiques avec des objets véritablement macroscopiques. Lukas Novotny, professeur de photonique, et ses collaborateurs du Département des technologies de l’information et du génie électrique de l’ETH Zürich, ont récemment franchi une étape cruciale dans cette direction. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature.

L’objet macroscopique du laboratoire de Novotny est une minuscule sphère en verre. Bien qu’elle ne mesure qu’une centaine de nanomètres de diamètre, elle comprend jusqu’à 10 millions d’atomes. À l’aide d’un faisceau laser étroitement focalisé, la sphère est amenée à planer dans un piège optique à l’intérieur d’un récipient sous vide refroidi à -269 °C. Plus la température est basse, plus le mouvement thermique est faible. « Cependant, pour voir clairement les effets quantiques, la nanosphère doit être encore plus ralentie, jusqu’à son état fondamental », explique Felix Tebbenjohanns, physicien au laboratoire de Novotny.

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Plonger la sphère dans un état de plus basse énergie

Les oscillations de la sphère, et donc son énergie motrice, sont réduites au point où la relation d’incertitude de la mécanique quantique interdit une nouvelle réduction. « Cela signifie que nous diminuons l’énergie de mouvement de la sphère à un minimum proche du mouvement du point zéro de la mécanique quantique », indique Tebbenjohanns. Pour y parvenir, les chercheurs utilisent une méthode bien connue pour ralentir une balançoire de terrain de jeu : juste la bonne quantité de poussée ou de traction dans la bonne direction, selon l’endroit où se trouve la balançoire.

graphique bille verre energie
A) Une nanosphère est mise en lévitation par une lumière laser focalisée. B) La lumière laser agit comme un piège dans lequel la sphère peut osciller d’avant en arrière. Les champs électriques sont utilisés pour ralentir ce mouvement. © ETH Zurich

Dans le cas d’une nanosphère, cependant, une mesure plus précise est nécessaire. Cette mesure consiste à superposer la lumière réfléchie par la sphère sur un autre faisceau laser, ce qui se traduit par un motif d’interférence. À partir de la position de cette figure d’interférence, il est possible de déduire où se trouve la sphère à l’intérieur du piège laser. Cette information, à son tour, est utilisée pour calculer la force avec laquelle la sphère doit être poussée ou tirée afin de la ralentir. Le ralentissement proprement dit est assuré par deux électrodes, dont le champ électrique exerce une force coulombienne précisément déterminée sur la nanosphère chargée électriquement.

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« C’est la première fois qu’une telle méthode est utilisée pour contrôler l’état quantique d’un objet macroscopique dans l’espace libre », déclare Novotny. Même si des résultats similaires ont été obtenus avec des sphères dans des résonateurs optiques, l’approche de Novotny présente des avantages importants : elle est moins sensible aux perturbations, et en éteignant la lumière laser, on peut, si nécessaire, examiner la sphère de manière totalement isolée.

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Vers des technologies de capteurs à la sensibilité améliorée

Un tel examen isolé devient particulièrement pertinent lorsque l’on essaie de réaliser des expériences d’interférence, comme celles observées avec les ondes lumineuses, avec la nanosphère. En effet, pour voir les effets d’interférence, l’onde quantique de la sphère doit être suffisamment grande. Une façon d’y parvenir est d’éteindre le piège laser après avoir refroidi la sphère jusqu’à son état fondamental de mouvement, ce qui permet à son onde quantique de se dilater librement. Différentes parties de la vague peuvent alors tomber à travers une double fente. Comme pour les molécules, dans ce cas également, la superposition des ondes de matière devrait entraîner un motif d’interférence caractéristique.

Novotny mentionne que les nanosphères en vol stationnaire présentent un intérêt non seulement pour la recherche fondamentale, mais peuvent également avoir des applications pratiques. De nos jours, il existe déjà des capteurs capables de mesurer les plus petites accélérations ou rotations en utilisant des ondes atomiques interférentes. À mesure que la sensibilité de tels capteurs augmente avec l’augmentation de la masse de l’objet interférant quantiquement, les capteurs pourraient être considérablement améliorés avec les nanosphères.

Sources : Nature

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