Des physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont « flashé » un cristal plat de 150 ions de béryllium (atomes chargés électriquement), ouvrant de nouvelles possibilités pour simuler le magnétisme à l'échelle quantique et détecter les signaux de la mystérieuse matière noire.

De nombreux chercheurs ont essayé pendant des décennies de refroidir des objets vibrants suffisamment gros pour être visibles à l'œil nu au point où ils ont le mouvement minimum autorisé par la mécanique quantique, la théorie qui régit le comportement de la matière à l'échelle atomique. Plus il fait froid, mieux c'est, car cela rend l'appareil plus sensible, plus stable et moins déformé, et donc, plus utile pour les applications pratiques. Jusqu'à maintenant, cependant, les chercheurs n'ont pu réduire que quelques types de vibrations.

Dans l'expérience du NIST, les champs magnétiques et électriques ont refroidi et piégé les ions de sorte qu'ils ont formé un disque de moins de 250 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre. Le disque est considéré comme un cristal car les ions sont disposés selon un motif qui se répète régulièrement.

Comme décrit dans Lettres d'examen physique , Les chercheurs du NIST ont refroidi le cristal en seulement 200 microsecondes (millionièmes de seconde) de sorte que chaque ion ait environ un tiers de l'énergie transportée par un seul phonon, un paquet d'énergie en mouvement dans le cristal. C'est très proche de la quantité d'énergie dans l'état « fondamental » quantique le plus bas possible pour les vibrations dites de « tête de tambour » du cristal, qui sont similaires aux mouvements de haut en bas d'un tambour battant.

Les chercheurs ont refroidi et ralenti les 150 vibrations de la peau de tambour, un pour chaque ion. (La vidéo de simulation ci-dessous montre huit exemples de types de vibrations de peau de tambour.) Le travail a montré que des centaines d'ions peuvent être collectivement calmés à l'aide de cette technique, une avancée significative par rapport à la précédente démonstration d'un autre groupe refroidissant une ligne de 18 ions.

Pour les vibrations aux fréquences refroidies dans cette démonstration, un tiers de l'énergie transportée par un phonon correspond à 50 microKelvin, ou 50 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu (moins 459,67 °F ou moins 273,15 °C), a déclaré le chef du groupe John Bollinger. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une température record, ce niveau est proche de l'état fondamental de la mécanique quantique pour tous les modes de peau de tambour, ce qui signifie que le mouvement thermique est faible pour un système aussi confiné, Bollinger a noté.

Pour obtenir autant de refroidissement, les chercheurs ont dirigé deux lasers avec des fréquences et des niveaux de puissance spécifiques sur le cristal. Les lasers ont couplé les niveaux d'énergie des ions de manière à induire le cristal ionique à perdre de l'énergie sans ajouter à son mouvement. Pour la plupart des particules de lumière laser diffusées par le cristal, les ions ont perdu le mouvement, refroidissement du cristal.

La méthode n'a pas refroidi d'autres types de vibrations tels que le mouvement latéral du cristal en forme de disque. Mais les mouvements de peau de tambour ont les utilisations les plus pratiques. Seules les vibrations de la peau du tambour sont utilisées dans les simulations quantiques et les capteurs quantiques.

Des vibrations de peau de tambour plus froides feront du cristal ionique un simulateur plus réaliste du magnétisme quantique, ce qui peut être difficile à calculer sur des ordinateurs conventionnels. Le refroidissement à l'état fondamental devrait également permettre des systèmes quantiques intriqués plus complexes, rendant possible de meilleures mesures pour les applications de détection quantique.

"Une application de détection quantique que nous sommes ravis d'étudier est la détection de champs électriques très faibles, " a déclaré Bollinger. " Avec le refroidissement à l'état fondamental, nous améliorons notre capacité à détecter les champs électriques à un niveau qui permet une recherche de certains types de matière noire - axions (particules subatomiques hypothétiques) et photons cachés (porteurs de force encore invisibles). "

Les recherches futures tenteront de refroidir des cristaux tridimensionnels avec un nombre beaucoup plus important d'ions.