Un résonateur à membrane (carré blanc central) est dans son bouclier de «cristaux phononiques» de trous en forme de croix. Même si la membrane a presque la taille d'une puce (0,5 mm), son mouvement suit les lois de la mécanique quantique, comme le montrent les chercheurs de l'Institut Niels Bohr. Crédit :(Crédit :Albert Schliesser, BNI)
La mécanique quantique impose des limites de sensibilité dans les mesures de déplacement, vitesse et accélération. Une expérience récente à l'Institut Niels Bohr sonde ces limites, analyser comment les fluctuations quantiques mettent en mouvement une membrane de capteur au cours d'une mesure. La membrane est un modèle précis pour les futurs capteurs quantiques ultraprécis, dont la nature complexe peut même détenir la clé pour surmonter les limites quantiques fondamentales. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue scientifique, Actes de l'Académie nationale des sciences .
Les cordes et membranes vibrantes sont au cœur de nombreux instruments de musique. Pincer une corde l'excite aux vibrations, à une fréquence déterminée par sa longueur et sa tension. En dehors de la fréquence fondamentale - correspondant à la note musicale - la corde vibre également à des fréquences plus élevées. Ces harmoniques influencent la façon dont nous percevons le « son » de l'instrument, et permettez-nous de distinguer une guitare d'un violon. De la même manière, battre une peau de tambour excite des vibrations à un certain nombre de fréquences simultanément.
Ces questions ne sont pas différentes lors de la réduction, de la grosse caisse d'un demi-mètre dans un orchestre classique à la membrane d'un demi-millimètre étudiée récemment à l'Institut Niels Bohr. Et encore, certaines choses ne sont pas du tout les mêmes :en utilisant des techniques de mesure optique sophistiquées, une équipe dirigée par le professeur Albert Schliesser a pu montrer que les vibrations de la membrane, y compris toutes ses harmoniques, suivre les étranges lois de la mécanique quantique. Dans leur expérience, ces lois quantiques impliquaient que la simple tentative de mesurer avec précision les vibrations membranaires la met en mouvement. Comme si regarder un tambour le faisait déjà fredonner !
Un "tambour" aux multiples sonorités
Bien que la membrane étudiée par l'équipe de l'Institut Niels Bohr puisse être vue à l'œil nu, les chercheurs ont utilisé un laser pour suivre avec précision le mouvement de la membrane. Et cela révèle en effet un certain nombre de résonances vibratoires, qui sont tous mesurés simultanément. Leurs fréquences sont dans la gamme Megahertz, environ mille fois plus élevé que les ondes sonores que nous entendons, essentiellement parce que la membrane est beaucoup plus petite qu'un instrument de musique. Mais les analogies continuent :tout comme un violon sonne différemment selon l'endroit où la corde est frappée (sul tasto vs sul ponticello), les chercheurs pouvaient dire à partir du spectre des harmoniques à quel endroit leur membrane était excitée par le faisceau laser.
Encore, observer les effets quantiques subtils auxquels les chercheurs se sont le plus intéressés, nécessitait quelques astuces supplémentaires. Albert Schliesser explique :« Pour une fois, il y a le problème de la perte d'énergie vibratoire, conduisant à ce que nous appelons la décohérence quantique. Pensez-y de cette façon :dans un violon, vous fournissez un corps de résonance, qui capte les vibrations des cordes et les transforme en ondes sonores emportées par l'air. C'est ce que vous entendez. Nous avons dû réaliser exactement le contraire :confiner les vibrations à la membrane uniquement, afin que nous puissions suivre son mouvement quantique non perturbé le plus longtemps possible. Pour cela, nous avons dû développer un « corps » spécial qui ne peut pas vibrer aux fréquences de la membrane".
L'enregistrement de mesure optique (trace bleue) montre des pics à toutes les fréquences auxquelles la membrane peut résonner, du mode fondamental, marqué (1, 1), à de nombreuses harmoniques. A partir de ce motif caractéristique, les recherches peuvent indiquer l'emplacement auquel le faisceau laser frappe la membrane (encart). Remarquablement, déjà les fluctuations quantiques de la lumière laser excitent les modes membranaires. Crédit :(Crédit :Albert Schliesser, BNI)
Ceci a été réalisé par un cristal dit phononique, un motif régulier de trous qui présente une bande interdite phononique, C'est, une bande de fréquences à laquelle la structure ne peut pas vibrer. Yeghishe Tsaturyan, un doctorant dans l'équipe, réalisé une membrane avec un corps si spécial dans les installations de nanofabrication Danchip à Lyngby.
Un deuxième défi consiste à faire des mesures suffisamment précises. En utilisant des techniques du domaine de l'optomécanique, qui est l'expertise de Schliesser, l'équipe a créé une expérience dédiée à l'Institut Niels Bohr, sur la base d'un laser construit sur mesure selon leurs besoins, et une paire de miroirs hautement réfléchissants entre lesquels la membrane est disposée. Cela leur a permis de résoudre des vibrations avec des amplitudes bien inférieures au rayon d'un proton (1 femtomètre).
" Faire des mesures si sensibles n'est pas facile, d'autant plus que les pompes et autres équipements de laboratoire vibrent avec des amplitudes beaucoup plus grandes. Nous devons donc nous assurer que cela n'apparaît pas dans notre relevé de mesure, " ajoute le doctorant William Nielsen.
Le vide bat le tambour
Pourtant, c'est justement dans la gamme des mesures d'ultra-précision que cela devient intéressant. Puis, ça commence à avoir de l'importance, selon la mécanique quantique, le processus de mesure du mouvement l'influence également. Dans l'expérience, cette 'réaction de mesure quantique' est causée par les fluctuations quantiques inévitables de la lumière laser. Dans le cadre de l'optique quantique, ceux-ci sont causés par des fluctuations quantiques du champ électromagnétique dans l'espace vide (vide). Aussi étrange que cela puisse paraître, cet effet a laissé des signatures claires dans les données des expériences de l'Institut Niels Bohr, à savoir de fortes corrélations entre les fluctuations quantiques de la lumière, et le mouvement mécanique mesuré par la lumière.
« Observer et quantifier ces fluctuations quantiques est important pour mieux comprendre comment elles peuvent affecter les mesures mécaniques d'ultraprécision, c'est-à-dire mesures de déplacement, vitesse ou accélération. Et ici, la nature multimode de la membrane entre en jeu :non seulement il s'agit d'une représentation plus précise des capteurs du monde réel. Il peut également contenir la clé pour surmonter certaines des limites quantiques traditionnelles de la précision de mesure avec des schémas plus sophistiqués, en exploitant les corrélations quantiques", Albert Schliesser dit et ajoute :qu'à la longue, des expériences quantiques avec des objets mécaniques de plus en plus complexes peuvent également fournir une réponse à la question de savoir pourquoi nous n'observons jamais une grosse caisse dans une superposition quantique (ou le ferons-nous ?).
