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    La coopérativité et l'intrication ouvrent la voie au refroidissement de l'état fondamental à l'aide de centres de vacance d'azote

    (gauche) Modèle de cycle de refroidissement :un laser externe pompe des atomes dans un sous-espace à deux niveaux couplé directement à un résonateur mécanique; l'absorption des phonons entraîne un refroidissement du système mécanique. (à droite) Schéma d'un résonateur mécanique interagissant avec un ensemble atomique. Le profil de contrainte conçu se couple aux états sombres enchevêtrés de l'ensemble, ce qui permet un refroidissement optimal. Crédit :Laboratoire National d'Argonne

    Les chercheurs du Center for Nanoscale Materials présentent un modèle quantique permettant d'obtenir un refroidissement à l'état fondamental dans des résonateurs mécaniques à basse fréquence et montrent comment la coopérativité et l'intrication sont des facteurs clés pour améliorer la figure de mérite du refroidissement.

    Un résonateur avec un bruit thermique proche de zéro a de meilleures caractéristiques de performance dans la détection à l'échelle nanométrique, mémoires quantiques, et les applications de traitement de l'information quantique. Techniques de refroidissement cryogénique passif, tels que les réfrigérateurs à dilution, ont réussi à refroidir les résonateurs haute fréquence mais ne sont pas suffisants pour les systèmes à basse fréquence. L'effet optomécanique a été appliqué avec succès pour refroidir des systèmes basse fréquence après une étape de refroidissement initiale. Ce procédé couple paramétriquement un résonateur mécanique à une cavité optique pilotée, et, grâce à un réglage minutieux de la fréquence d'entraînement, atteint l'effet de refroidissement souhaité. L'effet optomécanique est étendu à une approche alternative pour le refroidissement à l'état fondamental basée sur des défauts à l'état solide intégrés. L'ingénierie des paramètres de couplage atome-résonateur est proposée, en utilisant le profil de déformation du résonateur mécanique permettant au refroidissement de se dérouler à travers les états sombres enchevêtrés de l'ensemble du système à deux niveaux. Cette approche permet un refroidissement à l'état fondamental malgré les faibles forces d'interaction couramment observées dans les environnements expérimentaux. Les effets d'enchevêtrement et de coopération sont des facteurs clés pour améliorer la figure de mérite du refroidissement.

    Les résultats s'appliquent à une variété de systèmes tels que les centres de lacunes de silicium et d'azote dans le diamant et les points quantiques, et faire progresser le potentiel de miniaturisation et de fonctionnement à température ambiante requis pour les applications technologiques à long terme. Ces travaux ouvrent la voie à des expériences de refroidissement à l'état fondamental utilisant des défauts à l'état solide. L'approche, accessible pour des démonstrations expérimentales et universel à une variété de systèmes, surmonte les principaux obstacles qui ont bloqué la réalisation du refroidissement à l'état fondamental en utilisant des défauts à l'état solide intégrés.

    Simulations quantiques rigoureuses de systèmes à 2 niveaux en interaction (atomes, centres NV, etc.) intégré dans un résonateur mécanique (par exemple, porte-à-faux microscopique) ont été réalisées. L'ingénierie de la phase locale des forces de couplage en utilisant le profil de déformation dans les résonateurs mécaniques permet un refroidissement efficace médié par la coopérativité et l'intrication.

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