Des chercheurs ont mis au point un nouvel appareil capable de mesurer et de contrôler une nanoparticule piégée dans un faisceau laser avec une sensibilité sans précédent. La nouvelle technologie pourrait aider les scientifiques à étudier le mouvement d'une particule macroscopique avec une résolution subatomique, une échelle régie par les règles de la mécanique quantique plutôt que par la physique classique.

Les chercheurs de l'Université de Vienne en Autriche et de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas rapportent leur nouvel appareil en Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact. Bien que l'approche ait été utilisée avec des atomes piégés, l'équipe est la première à l'utiliser pour mesurer avec précision le mouvement d'une nanoparticule piégée optiquement et constituée de milliards d'atomes.

"À long terme, ce type de dispositif pourrait nous aider à comprendre les matériaux nanométriques et leurs interactions avec l'environnement à un niveau fondamental, ", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Markus Aspelmeyer de l'Université de Vienne. "Cela pourrait conduire à de nouvelles façons d'adapter les matériaux en exploitant leurs caractéristiques à l'échelle nanométrique.

"Nous travaillons à améliorer l'appareil pour augmenter notre sensibilité actuelle de quatre ordres de grandeur, " A poursuivi Aspelmeyer. " Cela nous permettrait d'utiliser l'interaction de la cavité avec la particule pour sonder voire contrôler l'état quantique de la particule, qui est notre objectif ultime."

Faire de petites mesures

La nouvelle méthode utilise un dispositif nanométrique de guidage de la lumière appelé cavité à cristal photonique pour surveiller la position d'une nanoparticule en lévitation dans un piège optique traditionnel. Le piégeage optique utilise un faisceau laser focalisé pour exercer une force sur un objet afin de le maintenir en place. La technique a été reconnue par l'attribution du prix Nobel de physique 2018 au pionnier, Arthur Ashkin.

"Nous savons que les lois de la physique quantique s'appliquent à l'échelle des atomes et à l'échelle des molécules, mais nous ne savons pas quelle peut être la taille d'un objet et présenter encore des phénomènes de physique quantique, " a déclaré Aspelmeyer. " En piégeant une nanoparticule et en la couplant à une cavité cristalline photonique, nous pouvons isoler un objet qui est plus grand que des atomes ou des molécules et étudier ses comportements quantiques."

Le nouveau dispositif atteint un haut niveau de sensibilité en utilisant une longue cavité de cristal photonique qui est plus étroite que la longueur d'onde de la lumière. Cela signifie que lorsque la lumière pénètre et descend dans la cavité nanométrique, une partie s'échappe et forme ce qu'on appelle un champ évanescent. Le champ évanescent change lorsqu'un objet est placé à proximité du cristal photonique, ce qui modifie à son tour la façon dont la lumière se propage à travers le cristal photonique de manière mesurable.

"En examinant comment la lumière dans le cristal photonique change en réponse à la nanoparticule, on peut en déduire la position de la nanoparticule dans le temps avec une très haute résolution, " dit Lorenzo Magrini, premier auteur de l'article.

Collecter chaque photon

Le nouveau dispositif détecte presque tous les photons qui interagissent avec la nanoparticule piégée. Cela l'aide non seulement à atteindre une sensibilité extrêmement élevée, mais signifie également que la nouvelle approche utilise beaucoup moins de puissance optique par rapport aux autres méthodes dans lesquelles la plupart des photons sont perdus.

Dans des conditions de vide, les chercheurs ont démontré, pour chaque photon détecté, une sensibilité de deux ordres de grandeur supérieure aux méthodes conventionnelles de mesure du déplacement des nanoparticules dans un piège optique. Ils rapportent également que la force de l'interaction entre la particule et le champ évanescent de la cavité était de trois ordres de grandeur plus élevée que ce qui a été rapporté précédemment. Une interaction plus forte signifie que la cavité photonique peut détecter plus d'informations sur le mouvement de la particule.

Semblable à plusieurs autres groupes de recherche dans le monde, les chercheurs travaillent à la réalisation de mesures quantiques. Ils améliorent maintenant leur configuration et s'efforcent d'augmenter considérablement la sensibilité de l'appareil. Cela permettrait d'effectuer des mesures dans des conditions de vide plus fortes qui augmentent l'isolement d'une particule de l'environnement. En plus d'étudier la mécanique quantique, le nouveau dispositif pourrait être utilisé pour mesurer avec précision l'accélération et d'autres forces qui pourraient survenir à des échelles de longueur microscopiques.