L'un des problèmes liés aux armes de destruction massive est qu'elles sont bien cachées. La clé pour les trouver peut être de changer les méthodes que nous utilisons pour chercher. Une de ces méthodes prend forme dans un laboratoire au sous-sol de Small Hall chez William &Mary.

"Essentiellement, nous le faisons pour que vous puissiez voir ce que vous ne pouvez pas voir, " dit Seth Aubin, professeur agrégé de physique à William &Mary.

Aubin a récemment reçu une subvention de la Defense Threat Reduction Agency du département américain de la Défense pour développer un nouveau type d'instrument capable de détecter les infrastructures cachées pour les armes de destruction massive.

« L'agence est particulièrement intéressée par la recherche d'usines souterraines ou de silos à missiles, des choses comme ça, " Aubin a dit, "mais vous pouvez également l'utiliser pour repérer des sous-marins ou même trouver des tunnels et des grottes de contrebande."

Pour voir l'invisible, Aubin dit, nous devons d'abord reconsidérer ce que signifie regarder. L'œil humain est conçu pour traiter la lumière—ou, quand tu parles de physique des particules, photons. Lorsque nous appelons quelque chose "visible, " explique Aubin, cela signifie généralement que les photons qui rebondissent sur cette chose se déplacent à une longueur d'onde que nos yeux peuvent traiter et donc voir.

Mais que se passerait-il si nous modifiions notre interprétation de « voir » pour tenir compte d'autre chose que de la lumière ? Aubin vise justement à faire cela :trouver ce qui est invisible en termes de lumière, mais visible en termes de masse.

Aubin et son équipe (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, doctorat les candidats Andrew Rotunno et Shuangli Du, et le scientifique Doug Beringer) développent un appareil qui utilise des atomes ultrafroids pour repérer les distorsions dans le champ gravitationnel de la Terre et "voir" en utilisant de la matière au lieu de la lumière.

"Les photons ne sont pas si sensibles à la gravité, " dit Aubin. " Les choses qui sont sensibles à la gravité sont des choses qui ont une masse. Plus il est lourd, plus il est sensible et les atomes sont bien plus lourds que les photons."

L'idée est de mimer le processus d'interférométrie optique, une façon précise de faire des mesures en surveillant les interférences constructives et destructives produites par les longueurs d'onde de la lumière. C'est ainsi qu'une équipe mondiale de scientifiques, dont plusieurs de William &Mary, ont pu détecter pour la première fois des ondes gravitationnelles, une réalisation digne du prix Nobel.

"Essentiellement, tu prends un faisceau lumineux et tu le fais suivre deux chemins, " A déclaré Aubin. "Un chemin sera plus proche de quelque chose et son chemin sera déformé par la gravité. Lorsque les faisceaux se recombinent, vous lisez la différence de phase et cela peut vous en dire beaucoup sur ce qui existe. Nous faisons la même chose, sauf avec des atomes au lieu de photons."

Cela prend tout son sens si nous quittons notre monde confortable de la physique newtonienne et entrons dans le domaine de la mécanique quantique, où masse et énergie sont interchangeables, et toute matière se comporte comme une onde au niveau atomique.

"L'idée est d'utiliser cette méthode pour mesurer le champ gravitationnel de la Terre avec une précision insensée, disons partie par milliard, " Dit Aubin. "Cela signifie que vous mesurez un nombre de neuf chiffres. Toutes les informations sont dans ce dernier chiffre. Ce dernier chiffre vous indique la variation du champ gravitationnel. Ce qui la fait varier, c'est la masse, masse qui manque, comme un tunnel ou une grotte, ou la masse qui est en sus, comme le pétrole, le fer ou le minerai d'uranium.

Il s'avère que si vous voulez être incroyablement précis, il faut d'abord avoir un froid fou. Le laboratoire utilise des atomes refroidis à environ un microkelvin de température, proche du zéro absolu, la température la plus basse théoriquement possible. En réalité, les chercheurs utilisent l'objet le plus froid de l'univers, le condensat Bose-Einstein, pour calibrer leurs instruments.

"L'une des raisons pour lesquelles nous sommes si froids, c'est parce que vous n'avez pas besoin d'aller chercher la mécanique quantique, il vient te chercher, " dit Aubin. " La matière commence à se comporter comme une vague, Que cela vous plaise ou non."

À l'heure actuelle, l'équipe travaille avec des atomes de rubidium et de potassium super froids, qui sont refroidis à l'aide d'un réseau de lasers soigneusement positionnés. Près de la moitié de l'espace du laboratoire est dédié à une table de lentilles, miroirs et autres optiques. Ils sont tous orientés pour créer le faisceau laser parfait, qui est transporté vers une zone de zapping atomique via un câble à fibre optique.

"Quand tu regardes ça pour la première fois, ça ressemble à un gigantesque gâchis, " Aubin a dit, debout à côté de la table optique. "Ce n'est pas compliqué, c'est très bien organisé. Pour une grande partie des éléments ici, si vous les déplacez de 10 à 100 microns, rien ne fonctionnera."

Aubin compare les photons de lumière laser à des boules de neige. Une boule de neige est intérieurement froide, mais quand il lobé votre chemin et claque contre votre peau, ça fait chaud. C'est parce que la boule de neige avait beaucoup d'énergie cinétique. Les photons dans les faisceaux laser ont également beaucoup d'énergie, et, comme une boule de neige, sont intérieurement froids.

"Les photons laser sont très énergétiques, donc si vous n'êtes pas intelligent sur la façon dont vous interagissez la lumière laser avec le matériau, il va faire chaud, " Aubin a dit, "mais si vous êtes intelligent sur la façon dont vous l'interagissez, vous allez en fait transférer la froideur des photons à autre chose, dans ce cas, nos atomes."

Une fois les atomes refroidis, ils sont retenus dans un piège avant d'être transférés sur une micropuce d'un pouce carré, qui supporte un champ magnétique micro-onde. Le champ travaillera à envoyer les atomes le long de deux chemins distincts avant de les ramener ensemble, sur quoi les chercheurs mesureront les longueurs d'onde atomiques pour les interférences constructives ou destructives.

"La puce est l'endroit où toute la physique se produit, " Aubin a dit, "mais pour que la physique se produise, vous avez besoin d'une salle entière d'équipement."

Jusque là, l'équipe a réussi à changer la direction de rotation de deux atomes, mais ils doivent encore envoyer les atomes le long de deux chemins séparés. Une courbe d'apprentissage plus importante que prévu peut être en partie à blâmer.

"Il s'avère que les micro-ondes sont en quelque sorte l'art sombre du génie électrique, " Dit Aubin. " C'est déjà assez dur pour que ce ne soit même pas enseigné aux physiciens, nous nous enseignons donc l'ingénierie des micro-ondes au fur et à mesure."

Une équipe d'étudiants de premier cycle conçoivent les circuits micro-ondes pour alimenter la puce. Ils ont dû faire la plupart de la fabrication en interne, Aubin a dit, en désignant des piles d'appareils électroniques éparpillées dans le laboratoire.

"Nous construisons la plupart des choses dont nous avons besoin, " A déclaré Aubin. " En général, vous ne pouvez pas l'acheter, parce que ce truc n'existe tout simplement pas. Si vous faites quelque chose pour la première fois, vous devez inventer vos propres outils."