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    Des physiciens pressent la lumière pour refroidir le tambour microscopique en dessous de la limite quantique

    Les chercheurs du NIST ont appliqué une forme spéciale de lumière micro-ondes pour refroidir un tambour en aluminium microscopique à un niveau d'énergie inférieur à la limite généralement acceptée, à seulement un cinquième d'un seul quantum d'énergie. La batterie, qui fait 20 micromètres de diamètre et 100 nanomètres d'épaisseur, battre 10 millions de fois par seconde tandis que son amplitude de mouvement est tombée à près de zéro. Crédit :Teufel/NIST

    Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont refroidi un objet mécanique à une température inférieure à ce que l'on pensait auparavant possible, en dessous de la soi-disant "limite quantique".

    La nouvelle théorie et expériences du NIST, décrit dans le 12 janvier, 2017, problème de La nature , a montré qu'un tambour mécanique microscopique - une membrane en aluminium vibrante - pouvait être refroidi à moins d'un cinquième d'un seul quantum, ou paquet d'énergie, inférieur à ce que prédit habituellement la physique quantique. La nouvelle technique pourrait théoriquement être utilisée pour refroidir des objets au zéro absolu, la température à laquelle la matière est dépourvue de presque toute énergie et mouvement, Les scientifiques du NIST ont déclaré.

    "Le plus froid vous pouvez obtenir le tambour, mieux c'est pour toute application, " a déclaré le physicien du NIST John Teufel, qui a mené l'expérience. "Les capteurs deviendraient plus sensibles. Vous pouvez stocker des informations plus longtemps. Si vous les utilisiez dans un ordinateur quantique, alors vous calculeriez sans distorsion, et vous obtiendriez réellement la réponse que vous voulez."

    "Les résultats ont été une surprise totale pour les experts dans le domaine, " Le chef du groupe de Teufel et co-auteur José Aumentado a déclaré. "C'est une expérience très élégante qui aura certainement beaucoup d'impact."

    La batterie, 20 micromètres de diamètre et 100 nanomètres d'épaisseur, est intégré dans un circuit supraconducteur conçu pour que le mouvement du tambour influence les micro-ondes rebondissant à l'intérieur d'une enceinte creuse connue sous le nom de cavité électromagnétique. Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique, ils sont donc en fait une forme de lumière invisible, avec une longueur d'onde plus longue et une fréquence plus basse que la lumière visible.

    La lumière micro-ondes à l'intérieur de la cavité change sa fréquence au besoin pour correspondre à la fréquence à laquelle la cavité résonne naturellement, ou vibre. C'est le "ton" naturel de la cavité, " analogue au ton musical qu'un verre rempli d'eau sonnera lorsque son bord est frotté avec un doigt ou son côté est frappé avec une cuillère.

    Les scientifiques du NIST ont précédemment refroidi le tambour quantique à son "état fondamental" de plus faible énergie, " ou un tiers d'un quantum. Ils ont utilisé une technique appelée refroidissement par bande latérale, qui consiste à appliquer une tonalité micro-onde au circuit à une fréquence inférieure à la résonance de la cavité. Cette tonalité entraîne une charge électrique dans le circuit pour faire battre le tambour. Les battements de tambour génèrent des particules légères, ou photons, qui correspondent naturellement à la fréquence de résonance plus élevée de la cavité. Ces photons s'échappent de la cavité au fur et à mesure qu'elle se remplit. Chaque photon partant emporte avec lui une unité mécanique d'énergie – un phonon – provenant du mouvement du tambour. C'est la même idée que le refroidissement laser d'atomes individuels, démontré pour la première fois au NIST en 1978 et maintenant largement utilisé dans des applications telles que les horloges atomiques.

    La dernière expérience du NIST ajoute une nouvelle tournure :l'utilisation de « lumière comprimée » pour piloter le circuit du tambour. La compression est un concept de mécanique quantique dans lequel le bruit, ou des fluctuations indésirables, est déplacé d'une propriété utile de la lumière à un autre aspect qui n'affecte pas l'expérience. Ces fluctuations quantiques limitent les températures les plus basses pouvant être atteintes avec les techniques de refroidissement conventionnelles. L'équipe du NIST a utilisé un circuit spécial pour générer des photons micro-ondes qui ont été purifiés ou dépourvus de fluctuations d'intensité, ce qui réduisait l'échauffement intempestif du tambour.

    "Le bruit donne des coups de pied aléatoires ou de la chaleur à la chose que vous essayez de refroidir, " a déclaré Teufel. "Nous écrasons la lumière à un niveau "magique" - dans une direction et une quantité très spécifiques - pour créer des photons parfaitement corrélés avec une intensité plus stable. Ces photons sont à la fois fragiles et puissants."

    La théorie et les expériences du NIST indiquent que la lumière comprimée supprime la limite de refroidissement généralement acceptée, dit Teufel. Cela inclut les objets volumineux ou fonctionnant à basse fréquence, qui sont les plus difficiles à refroidir.

    Le tambour pourrait être utilisé dans des applications telles que les ordinateurs quantiques hybrides combinant à la fois des éléments quantiques et mécaniques, dit Teufel. Un sujet brûlant dans la recherche en physique à travers le monde, les ordinateurs quantiques pourraient théoriquement résoudre certains problèmes considérés aujourd'hui comme insolubles.

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