Quand une corde de guitare est pincée, il vibre comme n'importe quel objet vibrant, montant et descendant comme une vague, comme le prédisent les lois de la physique classique. Mais selon les lois de la mécanique quantique, qui décrivent le fonctionnement de la physique à l'échelle atomique, les vibrations doivent se comporter non seulement comme des ondes, mais aussi sous forme de particules. La même corde de guitare, lorsqu'il est observé à un niveau quantique, devrait vibrer en tant qu'unités individuelles d'énergie appelées phonons.

Aujourd'hui, des scientifiques du MIT et de l'Institut fédéral suisse de technologie ont pour la première fois créé et observé un seul phonon dans un matériau commun à température ambiante.

Jusqu'à maintenant, des phonons uniques n'ont été observés qu'à des températures ultrafroides et dans des matériaux microscopiques que les chercheurs doivent sonder dans le vide. En revanche, l'équipe a créé et observé des phonons uniques dans un morceau de diamant posé à l'air libre à température ambiante. Les résultats, les chercheurs écrivent dans un article publié aujourd'hui dans Examen physique X , "rapprocher le comportement quantique de notre vie quotidienne."

"Il y a une dichotomie entre notre expérience quotidienne de ce qu'est une vibration - une onde - et ce que la mécanique quantique nous dit qu'elle doit être - une particule, " dit Vivishek Sudhir, un post-doctorat à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Notre expérience, parce qu'elle se déroule dans des conditions très tangibles, brise cette tension entre notre expérience quotidienne et ce que la physique nous dit doit être le cas."

La technique développée par l'équipe peut désormais être utilisée pour sonder d'autres matériaux courants pour les vibrations quantiques. Cela pourrait aider les chercheurs à caractériser les processus atomiques dans les cellules solaires, ainsi que d'identifier pourquoi certains matériaux sont supraconducteurs à haute température. Du point de vue de l'ingénierie, la technique de l'équipe peut être utilisée pour identifier des matériaux porteurs de phonons communs qui peuvent constituer des interconnexions idéales, ou des lignes de transmission, entre les ordinateurs quantiques du futur.

"Ce que signifie notre travail, c'est que nous avons maintenant accès à une palette beaucoup plus large de systèmes parmi lesquels choisir, " dit Sudhir, l'un des principaux auteurs de l'article.

Les co-auteurs de Sudhir sont Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson, et Christophe Galland, de l'Ecole polytechnique fédérale de Suisse.

« Démocratiser la mécanique quantique »

Phonons, les particules individuelles de vibration décrites par la mécanique quantique, sont également associés à la chaleur. Par exemple, quand un cristal, constitué de réseaux ordonnés d'atomes interconnectés, est chauffé à une extrémité, la mécanique quantique prédit que la chaleur traverse le cristal sous forme de phonons, ou vibrations individuelles des liaisons entre molécules.

Les phonons uniques ont été extrêmement difficiles à détecter, principalement en raison de leur sensibilité à la chaleur. Les phonons sont sensibles à toute énergie thermique supérieure à la leur. Si les phonons sont intrinsèquement faibles en énergie, alors l'exposition à des énergies thermiques plus élevées pourrait déclencher une excitation massive des phonons d'un matériau, faire de la détection d'un seul photon un effort d'aiguille dans une botte de foin.

Les premiers efforts pour observer des phonons uniques l'ont fait avec des matériaux spécialement conçus pour abriter très peu de phonons, à des énergies relativement élevées. Ces chercheurs ont ensuite immergé les matériaux dans des réfrigérateurs à quasi-zéro absolu que Sudhir décrit comme « brutalement, froid agressif, " pour s'assurer que l'énergie thermique environnante était inférieure à l'énergie des phonons dans le matériau.

"Si c'est le cas, alors la vibration [phonon] ne peut pas emprunter d'énergie à l'environnement thermique pour exciter plus d'un phonon, ", explique Sudhir.

Les chercheurs ont ensuite envoyé une impulsion de photons (particules de lumière) dans le matériau, en espérant qu'un photon interagisse avec un seul phonon. Quand cela arrive, le photon, dans un processus connu sous le nom de diffusion Raman, devrait se refléter sur une énergie différente qui lui est transmise par le phonon en interaction. De cette façon, les chercheurs ont pu détecter des phonons uniques, bien qu'à des températures ultrafroides, et dans des matériaux soigneusement conçus.

"Ce que nous avons fait ici, c'est de poser la question, comment se débarrasser de cet environnement compliqué que vous avez créé autour de cet objet, et apporter cet effet quantique à notre environnement, pour le voir dans des matériaux plus courants, ", dit Sudhir. "C'est comme démocratiser la mécanique quantique dans un certain sens."

Un sur un million

Pour la nouvelle étude, l'équipe a considéré le diamant comme sujet de test. En diamant, les phonons fonctionnent naturellement à des fréquences élevées, de dizaines de térahertz - si élevé que, à température ambiante, l'énergie d'un seul phonon est supérieure à l'énergie thermique environnante.

"Quand ce cristal de diamant est à température ambiante, le mouvement des phonons n'existe même pas, car il n'y a pas d'énergie à température ambiante pour exciter quoi que ce soit, " dit Sudhir.

Dans ce mélange vibratoirement silencieux de phonons, les chercheurs visaient à n'exciter qu'un seul phonon. Ils ont envoyé des impulsions laser à haute fréquence, composé de 100 millions de photons chacun, dans le diamant - un cristal composé d'atomes de carbone - au cas où l'un d'entre eux interagirait et se refléterait sur un phonon. L'équipe mesurerait ensuite la diminution de fréquence du photon impliqué dans la collision, ce qui confirme qu'il a bien heurté un phonon, bien que cette opération ne puisse pas discerner si un ou plusieurs phonons ont été excités dans le processus.

Pour déchiffrer le nombre de phonons excités, les chercheurs ont envoyé une deuxième impulsion laser dans le diamant, à mesure que l'énergie du phonon diminuait progressivement. Pour chaque phonon excité par la première impulsion, cette deuxième impulsion peut la désexciter, emportant cette énergie sous la forme d'un nouveau, photon de plus haute énergie. Si un seul phonon était initialement excité, puis un nouveau, un photon de fréquence plus élevée doit être créé.

Pour le confirmer, les chercheurs ont placé un verre semi-transparent à travers lequel ce nouveau, un photon de fréquence plus élevée sortirait du diamant, ainsi que deux détecteurs de chaque côté du verre. Les photons ne se séparent pas, donc si plusieurs phonons étaient excités puis désexcités, les photons résultants doivent traverser le verre et se disperser de manière aléatoire dans les deux détecteurs. Si un seul détecteur "clique", " indiquant la détection d'un seul photon, l'équipe peut être sûre que ce photon a interagi avec un seul phonon.

"C'est un tour astucieux que nous jouons pour nous assurer que nous observons un seul phonon, " dit Sudhir.

La probabilité qu'un photon interagisse avec un phonon est d'environ un sur 10 milliards. Dans leurs expériences, les chercheurs ont fait sauter le diamant avec 80 millions d'impulsions par seconde - ce que Sudhir décrit comme un "train de millions de milliards de photons" sur plusieurs heures, afin de détecter environ 1 million d'interactions photon-phonon. À la fin, ils ont trouvé, avec une signification statistique, qu'ils étaient capables de créer et de détecter un seul quantum de vibration.

"C'est en quelque sorte une revendication ambitieuse, et nous devons faire attention que la science soit rigoureusement faite, sans place pour le doute raisonnable, " dit Sudhir.

Lors de l'envoi de leur deuxième impulsion laser pour vérifier que des phonons uniques étaient bien créés, les chercheurs ont retardé cette impulsion, envoyant dans le diamant alors que le phonon excité commençait à refluer en énergie. De cette façon, ils ont pu glaner la manière dont le phonon lui-même s'est détérioré.

"Donc, non seulement nous sommes capables de sonder la naissance d'un seul phonon, mais aussi nous sommes capables de sonder sa mort, " dit Sudhir. " Maintenant, nous pouvons dire, "Allez utiliser cette technique pour étudier combien de temps il faut pour qu'un seul phonon s'éteigne dans le matériau de votre choix." Ce numéro est très utile. Si le temps qu'il faut pour mourir est très long, alors ce matériau peut supporter des phonons cohérents. Si c'est le cas, vous pouvez faire des choses intéressantes avec, comme le transport thermique dans les cellules solaires, et les interconnexions entre les ordinateurs quantiques."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.