Dans un mariage arrangé d'optique et de mécanique, les physiciens ont créé des faisceaux structurels microscopiques qui ont une variété d'utilisations puissantes lorsque la lumière les frappe. Capable de fonctionner en ordinaire, environnements à température ambiante, tout en exploitant certains des principes les plus profonds de la physique quantique, ces systèmes optomécaniques peuvent agir comme des thermomètres intrinsèquement précis, ou inversement, comme un type de bouclier optique qui détourne la chaleur. La recherche a été réalisée par une équipe dirigée par le Joint Quantum Institute (JQI), une collaboration de recherche du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Maryland.

Décrit dans une paire de nouveaux papiers dans Science et Lettres d'examen physique , les applications potentielles incluent des capteurs de température à puce pour l'électronique et la biologie qui n'auraient jamais besoin d'être ajustés car ils reposent sur des constantes fondamentales de la nature; de minuscules réfrigérateurs capables de refroidir les composants de microscope à la pointe de la technologie pour des images de meilleure qualité ; et des « métamatériaux » améliorés qui pourraient permettre aux chercheurs de manipuler la lumière et le son de nouvelles manières.

Fabriqué en nitrure de silicium, un matériau largement utilisé dans les industries de l'électronique et de la photonique, les faisceaux ont une longueur d'environ 20 microns (20 millionièmes de mètre). Ils sont transparents, avec une rangée de trous percés à travers eux pour améliorer leurs propriétés optiques et mécaniques.

"Vous pouvez envoyer de la lumière dans ce faisceau parce que c'est un matériau transparent. Vous pouvez également envoyer des ondes sonores dans le faisceau, " a expliqué Tom Purdy, un physicien du NIST qui est auteur des deux articles. Les chercheurs pensent que les faisceaux pourraient conduire à de meilleurs thermomètres, qui sont désormais omniprésents dans nos appareils, y compris les téléphones portables.

"Essentiellement, nous transportons un tas de thermomètres avec nous tout le temps, " a déclaré le boursier JQI Jake Taylor, auteur principal des nouveaux articles. "Certains fournissent des relevés de température, et d'autres vous permettent de savoir si votre puce est trop chaude ou si votre batterie est trop froide. Les thermomètres jouent également un rôle crucial dans les systèmes de transport—avions, voitures et vous dire si l'huile de votre moteur surchauffe."

Mais le problème est que ces thermomètres ne sont pas précis dans le commerce. Ils doivent être calibrés, ou ajusté, à une certaine norme. La conception du faisceau de nitrure de silicium évite cette situation en s'appuyant sur la physique fondamentale. Pour utiliser le faisceau comme thermomètre, les chercheurs doivent pouvoir mesurer les vibrations les plus infimes possibles dans le faisceau. La quantité de vibration du faisceau est proportionnelle à la température de son environnement.

Les vibrations peuvent provenir de deux types de sources. Les premières sont des sources « thermiques » ordinaires telles que les molécules de gaz qui secouent le faisceau ou les ondes sonores qui le traversent. La deuxième source de vibration vient purement du monde de la mécanique quantique, la théorie qui régit le comportement de la matière à l'échelle atomique. Le comportement quantique se produit lorsque les chercheurs envoient des particules de lumière, ou photons, en bas de la poutre. Frappé par la lumière, le faisceau mécanique réfléchit les photons, et recule dans le processus, créant de petites vibrations dans le faisceau. Parfois, ces effets quantiques sont décrits à l'aide de la relation d'incertitude de Heisenberg :le rebond du photon donne des informations sur la position du faisceau, mais parce qu'il transmet des vibrations au faisceau, il ajoute de l'incertitude à la vitesse du faisceau.

"Les fluctuations de la mécanique quantique nous donnent un point de référence car essentiellement, vous ne pouvez pas faire bouger le système moins que cela, " dit Taylor. En insérant les valeurs de la constante de Boltzmann et de la constante de Planck, les chercheurs peuvent calculer la température. Et étant donné ce point de référence, lorsque les chercheurs mesurent plus de mouvement dans le faisceau, tels que des sources thermiques, ils peuvent extrapoler avec précision la température de l'environnement.

Cependant, les fluctuations quantiques sont un million de fois plus faibles que les vibrations thermiques; les détecter, c'est comme entendre une mouche voler au milieu d'une douche.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un faisceau de nitrure de silicium de pointe construit par Karen Grutter et Kartik Srinivasan au Center for Nanoscale Science and Technology du NIST. En projetant des photons de haute qualité sur le faisceau et en analysant les photons émis par le faisceau peu de temps après, "nous voyons un peu du mouvement vibrationnel quantique capté dans la sortie de la lumière, " a expliqué Purdy. Leur approche de mesure est suffisamment sensible pour voir ces effets quantiques jusqu'à la température ambiante pour la première fois, et est publié dans le numéro de cette semaine de Science .

Bien que les thermomètres expérimentaux soient en phase de validation de principe, les chercheurs envisagent qu'ils pourraient être particulièrement utiles dans les appareils électroniques, comme des thermomètres sur puce qui n'ont jamais besoin d'être étalonnés, et en biologie.

"Procédés biologiques, en général, sont très sensibles à la température, comme le sait toute personne ayant un enfant malade. La différence entre 37 et 39 degrés Celsius est assez grande, " a déclaré Taylor. Il prévoit des applications en biotechnologie, lorsque vous souhaitez mesurer les changements de température dans "une quantité de produit aussi petite que possible, " il a dit.

Les chercheurs vont dans le sens inverse dans une deuxième proposition d'application pour les faisceaux, décrit dans un article théorique publié dans Lettres d'examen physique .

Au lieu de laisser la chaleur frapper le faisceau et de lui permettre de servir de sonde de température, les chercheurs proposent d'utiliser le faisceau pour détourner la chaleur de, par exemple, une partie sensible d'un appareil électromécanique.

Dans leur configuration proposée, les chercheurs enferment le faisceau dans une cavité, une paire de miroirs qui font rebondir la lumière d'avant en arrière. Ils utilisent la lumière pour contrôler les vibrations du faisceau afin que le faisceau ne puisse pas re-rayonner la chaleur entrante dans sa direction habituelle, vers un objet plus froid.

Pour cette application, Taylor compare le comportement du faisceau à un diapason. Lorsque vous tenez un diapason et que vous le frappez, il émet des sons purs au lieu de laisser ce mouvement se transformer en chaleur, qui descend dans la fourche et dans votre main.

"Un diapason sonne longtemps, même dans l'air, " dit-il. Les deux branches de la fourche vibrent dans des directions opposées, il expliqua, et annuler un moyen pour l'énergie de quitter le bas de la fourchette à travers votre main.

Les chercheurs imaginent même utiliser un faisceau de nitrure de silicium optiquement contrôlé comme pointe d'un microscope à force atomique (AFM), qui détecte les forces sur les surfaces pour construire des images à l'échelle atomique. Une pointe AFM à contrôle optique resterait froide et fonctionnerait mieux. "Vous supprimez le mouvement thermique, ce qui permet de voir plus facilement les signaux, " expliqua Taylor.

Cette technique pourrait également être utilisée pour fabriquer de meilleurs métamatériaux, des objets composites complexes qui manipulent la lumière ou le son de nouvelles manières et pourraient être utilisés pour fabriquer de meilleures lentilles ou même des "capes d'invisibilité" qui font passer certaines longueurs d'onde de la lumière à travers un objet plutôt que de rebondir dessus.

"Les métamatériaux sont notre réponse à, « Comment fabriquons-nous des matériaux qui capturent les meilleures propriétés pour la lumière et le son ? ou pour la chaleur et le mouvement ? », a déclaré Taylor. « C'est une technique qui a été largement utilisée en ingénierie, mais combiner la lumière et le son ensemble reste encore un peu ouvert sur jusqu'où on peut aller avec ça, et cela fournit un nouvel outil pour explorer cet espace."