Des chercheurs de l’ETH Zurich ont piégé une minuscule sphère mesurant une centaine de nanomètres à l’aide d’une lumière laser et ralenti son mouvement jusqu’à l’état de mécanique quantique le plus bas. Sur cette base, on peut étudier les effets quantiques dans les objets macroscopiques et construire des capteurs extrêmement sensibles.
Pourquoi des atomes ou des particules élémentaires peuvent-ils se comporter comme des ondes selon la physique quantique, qui leur permet d’être à plusieurs endroits en même temps ? Et pourquoi tout ce que nous voyons autour de nous obéit évidemment aux lois de la physique classique, là où c’est impossible ? Pour répondre à ces questions, ces dernières années, des chercheurs ont incité des objets de plus en plus gros à se comporter de manière quantique. Une conséquence de ceci est qu’en passant à travers une double fente, elles forment une figure d’interférence caractéristique des ondes.
Une sphère de verre d’une centaine de nanomètres de diamètre (point vert au centre de l’image) est mise en vol stationnaire par un faisceau laser fortement focalisé. Crédit image: ETH Zurich
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 correctement macroscopiques. Lukas Novotny, professeur de photonique, et ses collaborateurs du Département des technologies de l’information et de l’électrotechnique de l’ETH Zurich ont désormais franchi une étape cruciale dans cette direction. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature.
Nanosphère en vol stationnaire
L’objet macroscopique du laboratoire de Novotny est une minuscule sphère en verre. Bien qu’il ne mesure qu’une centaine de nanomètres de diamètre, il comprend jusqu’à dix 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 degrés au-dessous de zéro. Plus la température est basse, plus le mouvement thermique est petit.
« Cependant, pour voir clairement les effets quantiques, la nanosphère doit être ralentie, encore plus, jusqu’à son état fondamental en mouvement », explique Felix Tebbenjohanns, post-doctorant au laboratoire de Novotny. Les oscillations de la sphère, et donc son énergie émotionnelle, sont réduites au point où la relation d’incertitude de la mécanique quantique interdit une nouvelle réduction. « Cela signifie que nous congelons l’énergie émotionnelle de la sphère à un minimum proche du mouvement du point zéro de la mécanique quantique », explique Tebbenjohanns.
Une nanosphère est amenée à planer par une lumière laser focalisée (a). La lumière laser agit comme un piège dans lequel la sphère peut osciller d’avant en arrière (b). Les champs électriques sont utilisés pour ralentir ce mouvement. Crédit image: ETH Zurich
Mesurer et ralentir
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. Avec un swing, bien regarder et agir en conséquence fera l’affaire. Dans le cas d’une nanosphère, cependant, une mesure plus précise doit être effectuée.
Cette mesure consiste à superposer la lumière réfléchie par la sphère sur un autre faisceau laser, ce qui se traduit par une figure d’interférence. A 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.
Premier contrôle quantique en espace libre
« C’est la première fois qu’une telle méthode est utilisée pour contrôler l’état quantique d’un objet macroscopique en espace libre », précise 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.
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 de mécanique 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.
Applications possibles dans les capteurs
« Pour l’instant, cependant, ce n’est qu’une chimère », prévient Novotny. Pourtant, il mentionne également 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 la masse croissante de l’objet interférant en mécanique quantique, les capteurs pourraient être considérablement améliorés avec les nanosphères.
La source: ETH Zurich
