Lorsqu'une particule est complètement isolée de son environnement, les lois de la physique quantique commencent à jouer un rôle crucial. Une exigence importante pour voir les effets quantiques est de retirer toute l'énergie thermique du mouvement des particules, c'est-à-dire de le refroidir le plus près possible du zéro absolu. Chercheurs de l'Université de Vienne, l'Académie autrichienne des sciences et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) se rapprochent désormais de cet objectif en démontrant une nouvelle méthode de refroidissement des nanoparticules en lévitation. Ils publient maintenant leurs résultats dans la célèbre revue Lettres d'examen physique .

Les faisceaux laser étroitement focalisés peuvent agir comme des "pinces" optiques pour piéger et manipuler de minuscules objets, des particules de verre aux cellules vivantes. Le développement de cette méthode a valu à Arthur Ashkin le prix Nobel de physique l'an dernier. Alors que la plupart des expériences ont été menées jusqu'à présent dans l'air ou dans un liquide, il y a un intérêt croissant pour l'utilisation de pinces optiques pour piéger des objets dans un ultra-vide :de telles particules isolées présentent non seulement des performances de détection sans précédent, mais peut également être utilisé pour étudier les processus fondamentaux des moteurs thermiques nanoscopiques, ou des phénomènes quantiques impliquant de grandes masses.

Un élément clé de ces efforts de recherche est d'obtenir un contrôle total sur le mouvement des particules, idéalement dans un régime où les lois de la physique quantique dominent son comportement. Les tentatives précédentes pour y parvenir, avoir soit modulé la pince optique elle-même, ou immergé la particule dans des champs lumineux supplémentaires entre des configurations de miroir hautement réfléchissantes, c'est-à-dire des cavités optiques.

Cependant, le bruit laser et les grandes intensités laser requises ont posé une limite substantielle à ces procédés. "Notre nouveau schéma de refroidissement est directement emprunté à la communauté de la physique atomique, où existent des défis similaires pour le contrôle quantique", dit Uros Delic, auteur principal de la récente étude publiée dans Lettres d'examen physique par des chercheurs de l'Université de Vienne, l'Académie autrichienne des sciences et le Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui était dirigée par Markus Aspelmeyer. L'idée remonte aux premiers travaux du physicien d'Innsbruck Helmut Ritsch et des physiciens américains Vladan Vuletic et Steve Chu, qui s'est rendu compte qu'il suffit d'utiliser la lumière qui est diffusée directement à partir de la pince optique elle-même si la particule est maintenue à l'intérieur d'une cavité optique initialement vide.

Une nanoparticule dans une pince à épiler optique diffuse une infime partie de la lumière de la pince à épiler dans presque toutes les directions. Si la particule est positionnée à l'intérieur d'une cavité optique, une partie de la lumière diffusée peut être stockée entre ses miroirs. Par conséquent, les photons sont préférentiellement diffusés dans la cavité optique. Cependant, cela n'est possible que pour la lumière de couleurs spécifiques, ou dit autrement, énergies photoniques spécifiques. Si nous utilisons une pince à épiler d'une couleur qui correspond à une énergie photonique légèrement inférieure à celle requise, les nanoparticules "sacrifieront" une partie de leur énergie cinétique pour permettre la diffusion des photons dans la cavité optique. Cette perte d'énergie cinétique refroidit efficacement son mouvement. La méthode a déjà été démontrée pour les atomes par Vladan Vuletic, un co-auteur de cet ouvrage. C'est, cependant, la première fois, il a été appliqué à des nanoparticules et utilisé pour refroidir dans les trois directions de mouvement.

"Notre méthode de refroidissement est beaucoup plus puissante que tous les schémas précédemment démontrés. Sans les contraintes imposées par le bruit laser et la puissance laser, le comportement quantique des nanoparticules en lévitation devrait être au coin de la rue", dit Délic.