Atomes, ici en bleu, tirer à partir de barils parallèles d'un collimateur à faisceau atomique. Laser, ici en rose, peut manipuler les atomes sortants pour les effets souhaités. Crédit :Georgia Tech / Les studios Ella Maru travaillent à la location
A un non-physicien, un "collimateur de faisceau atomique" peut ressembler à un phaser tirant des particules mystiques. Ce n'est peut-être pas la pire métaphore pour introduire une technologie que les chercheurs ont maintenant miniaturisée, ce qui le rend plus susceptible d'atterrir un jour dans les appareils portables.
Aujourd'hui, les collimateurs de faisceaux atomiques se trouvent principalement dans les laboratoires de physique, où ils projettent des atomes dans un faisceau qui produit des phénomènes quantiques exotiques et qui a des propriétés qui peuvent être utiles dans les technologies de précision. En réduisant les collimateurs de la taille d'un petit appareil pour qu'ils tiennent sur le bout des doigts, les chercheurs du Georgia Institute of Technology veulent mettre la technologie à la disposition des ingénieurs faisant progresser des dispositifs tels que des horloges atomiques ou des accéléromètres, un composant trouvé dans les smartphones.
"Un appareil typique que vous pourriez en faire est un gyroscope de nouvelle génération pour un système de navigation de précision qui est indépendant du GPS et peut être utilisé lorsque vous êtes hors de portée des satellites dans une région éloignée ou que vous voyagez dans l'espace, " dit Chandra Raman, professeur agrégé à la Georgia Tech School of Physics et co-chercheur principal de l'étude.
La recherche a été financée par l'Office of Navy Research. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Communication Nature le 23 avril, 2019.
Voici ce qu'est un collimateur, une partie du potentiel quantique des faisceaux atomiques, et comment le format du collimateur miniature pourrait aider les faisceaux atomiques à façonner de nouvelles générations de technologies.
Fusil de chasse atomique de poche
"Les faisceaux atomiques collimatés existent depuis des décennies, " Raman a dit, "Mais actuellement, les collimateurs doivent être grands pour être précis."
Le faisceau atomique commence dans une boîte pleine d'atomes, souvent rubidium, chauffé à une vapeur de sorte que les atomes tournent de façon chaotique. Un tube se branche dans la boite, et des atomes aléatoires avec la bonne trajectoire tirent dans le tube comme des plombs entrant dans le canon d'un fusil de chasse.
Collimateur au bout d'une pince à épiler. Les minuscules trous alignés sont les entrées des canaux du collimateur à travers lesquels les atomes tirent. Crédit :Georgia Tech / Christopher Moore
Comme des plombs sortant d'un fusil de chasse, les atomes sortent de l'extrémité du tube en tirant raisonnablement droit mais aussi avec un jet aléatoire de grenaille atomique volant à des angles biaisés. Dans un faisceau atomique, ce spray produit un bruit de signal, et le collimateur sur puce amélioré en élimine la plus grande partie pour une plus précise, faisceau d'atomes presque parfaitement parallèle.
Le faisceau est beaucoup plus focalisé et pur que les faisceaux provenant des collimateurs existants. Les chercheurs aimeraient également que leur collimateur permette aux physiciens expérimentateurs de créer plus facilement des états quantiques complexes.
Machine à inertie inébranlable
Mais plus immédiatement, le collimateur met en place une mécanique newtonienne qui pourrait être adaptée pour une utilisation pratique.
Les poutres améliorées sont des flux d'inertie inébranlable car, contrairement à un faisceau laser, qui est fait de photons sans masse, les atomes ont une masse et donc une quantité de mouvement et une inertie. Cela fait de leurs faisceaux des points de référence potentiellement idéaux dans les gyroscopes à faisceaux qui aident à suivre le mouvement et les changements d'emplacement.
Les gyroscopes actuels des appareils de navigation sans GPS sont précis à court terme mais pas à long terme, ce qui signifie les recalibrer ou les remplacer très souvent, et ça les rend moins pratiques, dire, sur la Lune ou sur Mars.
"Les instruments conventionnels à l'échelle de la puce basés sur la technologie MEMS (systèmes microélectromécaniques) souffrent de dérives dans le temps de diverses contraintes, " a déclaré le co-enquêteur principal Farrokh Ayazi, qui est professeur Ken Byers à l'école de génie électrique et informatique de Georgia Tech. "Pour éliminer cette dérive, vous avez besoin d'un mécanisme absolument stable. Ce faisceau atomique crée ce genre de référence sur une puce."
Le collimateur à côté d'un sou. La minuscule fente sur le côté contient plus d'une douzaine de canaux par lesquels pénètrent les atomes excités. Les grands espaces sur le dessus séparent les trois phases de la cascade de collimateurs exactement alignés. Crédit :Georgia Tech / Christopher Moore
Faisceau d'intrication quantique
Les atomes excités par la chaleur dans un faisceau peuvent également être convertis en atomes de Rydberg, qui fournissent une corne d'abondance de propriétés quantiques.
Lorsqu'un atome est suffisamment énergisé, son électron en orbite le plus externe se heurte si loin que l'atome gonfle en taille. En orbite si loin avec tant d'énergie, cet électron le plus externe se comporte comme l'électron isolé d'un atome d'hydrogène, et l'atome de Rydberg agit comme s'il n'avait qu'un seul proton.
"Vous pouvez concevoir certains types d'intrication quantique multi-atomes en utilisant les états de Rydberg, car les atomes interagissent beaucoup plus fortement que deux atomes dans l'état fondamental, " dit Raman.
"Les atomes de Rydberg pourraient également faire progresser les futures technologies de capteurs car ils sont sensibles aux flux de force ou dans des champs électroniques plus petits qu'un électron à l'échelle, ", a déclaré Ayazi. "Ils pourraient également être utilisés dans le traitement de l'information quantique."
Rainures de silicium lithographiées
Les chercheurs ont conçu un moyen étonnamment pratique de fabriquer le nouveau collimateur, ce qui pourrait inciter les industriels à l'adopter :ils coupent long, canaux extrêmement étroits à travers une plaquette de silicium parallèle à sa surface plane. Les canaux étaient comme des canons de fusil de chasse alignés côte à côte pour tirer une série de faisceaux atomiques.
Le silicium est un matériau exceptionnellement lisse pour le passage des atomes et est également utilisé dans de nombreuses technologies microélectroniques et informatiques existantes. Cela ouvre la possibilité de combiner ces technologies sur une puce avec le nouveau collimateur miniature. Lithographie, qui est utilisé pour graver la technologie de puce existante, a été utilisé pour couper avec précision les canaux du collimateur.
La plus grande innovation des chercheurs a considérablement réduit le jet de type fusil de chasse, c'est-à-dire le bruit du signal. Ils ont coupé deux trous dans les canaux, formant une cascade alignée de trois ensembles de réseaux parallèles de barils.
Les atomes volant à des angles asymétriques sautent hors des canaux au niveau des espaces et ceux qui volent raisonnablement parallèlement dans le premier réseau de canaux continuent vers le suivant, puis le processus se répète en passant du deuxième au troisième réseau de canaux. Cela confère aux faisceaux atomiques du nouveau collimateur leur exceptionnelle rectitude.
