Des chercheurs de l'ETH ont refroidi une nanoparticule à une température record, grâce à une configuration expérimentale sophistiquée qui utilise la lumière laser diffusée pour le refroidissement. Jusqu'à maintenant, personne n'a jamais refroidi une nanoparticule à des températures aussi basses dans une cage à photons. Dominik Windey et René Reimann – doctorant et post-doctorant dans le groupe dirigé par Lukas Novotny, professeur de photonique – ont réussi à refroidir une bille de verre de 140 nanomètres à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Les chercheurs ont récemment publié les détails de leurs travaux dans la revue Lettres d'examen physique . Leur percée a pris la forme d'un dispositif expérimental sophistiqué impliquant des pincettes optiques, moyennant quoi une nanoparticule peut être amenée à léviter à l'aide d'un faisceau laser. Le groupe a déjà utilisé la même pince à épiler optique dans des travaux antérieurs, dans lequel ils ont fait tourner une nanoparticule autour de son propre axe à une vitesse extrêmement élevée.

Une ligne fine

Les scientifiques ont maintenant complété la pince à épiler optique avec une cage à photons disposée perpendiculairement à celle-ci. Cette cage se compose de deux miroirs hautement réfléchissants, dont les chercheurs peuvent ajuster la position à quelques milliardièmes de millimètre près.

Ce réglage précis est crucial, puisque la particule diffuse une partie de la lumière laser et que les scientifiques peuvent utiliser la distance entre les miroirs pour contrôler quel type de lumière est diffusée. "Nous pouvons ajuster les miroirs pour diffuser plus de lumière avec une fréquence légèrement plus élevée que la lumière laser principale, " explique Windey. " Comme la lumière à haute fréquence est également plus énergétique, les photons absorbent l'énergie de la nanoparticule pendant la diffusion." En d'autres termes, si le miroir est bien réglé, la bille de verre perd de l'énergie en continu et son amplitude d'oscillation devient de plus en plus petite :elle se refroidit.

"La caractéristique clé de notre dispositif expérimental est que l'oscillation de la particule ne devient pas seulement plus petite dans une direction, mais dans les trois dimensions, " dit Windey. " Ce n'est pas possible avec d'autres montages expérimentaux trouvés dans la littérature concernant les nanoparticules dans les cages à photons. " Le fait que le refroidissement a lieu en trois dimensions a été confirmé par des calculs théoriques effectués par des collègues de l'Université d'Innsbruck, avec qui les chercheurs de l'ETH ont publié leurs travaux.

Approche d'une limite magique

Avec leur dernière expérience, les chercheurs se rapprochent d'une limite magique :la température à laquelle les nanoparticules passent dans ce que l'on appelle l'état fondamental quantique. Si celui-ci était atteint, cela permettrait pour la première fois de réaliser des expériences quantiques avec des objets relativement gros; par exemple, il serait possible d'étudier le comportement d'une perle de verre si deux états quantiques différents étaient superposés.

Cependant, il faudra beaucoup de travail pour en arriver là. "Nos températures sont encore trop élevées d'un facteur plus de 100, " dit Windey. " Nous devons ralentir beaucoup plus la bille si nous voulons atteindre l'état fondamental quantique. " Cela devrait maintenant être possible en utilisant un système encore plus sophistiqué dans lequel les chercheurs appliquent une deuxième cage à photons - mettant essentiellement en œuvre système de refroidissement à étage.

Source de perturbation inattendue

Bien sûr, cela demandera encore une fois beaucoup plus d'efforts. « Le système est extrêmement sensible, " explique Windey. La moindre perturbation modifie la distance entre les miroirs. En conséquence, la particule n'est plus refroidie mais réchauffée, et ne peut plus être tenu dans la pince à épiler optique - retour à la case départ, en d'autres termes. "Dès le début, nous avons dû faire face à des vibrations inattendues, " dit Windey. " Alors, nous avons découvert qu'en raison de la circulation, notre bâtiment de laboratoire sur le Hönggerberg se déplace de 4 micromètres pendant la journée. Cela signifiait que nous devions effectuer nos mesures la nuit."

Bien que la simple sensibilité de l'équipement de mesure rende toujours la vie difficile pour les chercheurs, il pourrait y avoir une application pratique de ce facteur précisément. "Le système pourrait être utilisé pour construire un accéléromètre extrêmement sensible, " dit Windey. " Et une fois que nous avons la particule dans l'état quantique, nous pourrons déterminer les déflexions avec encore plus de précision."