Des chercheurs autrichiens ont utilisé des lasers pour faire léviter et refroidir une nanoparticule de verre dans le régime quantique. Bien qu'il soit piégé dans un environnement à température ambiante, le mouvement de la particule est uniquement régi par les lois de la physique quantique. L'équipe de scientifiques de l'Université de Vienne, l'Académie autrichienne des sciences et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont publié leur nouvelle étude dans la revue Science .

Il est bien connu que les propriétés quantiques des atomes individuels peuvent être contrôlées et manipulées avec la lumière laser. Même de gros nuages ​​de centaines de millions d'atomes peuvent être poussés dans le régime quantique, donnant naissance à des états quantiques macroscopiques de la matière tels que les gaz quantiques ou les condensats de Bose-Einstein, qui sont aujourd'hui également largement utilisés dans les technologies quantiques. Une prochaine étape passionnante consiste à étendre ce niveau de contrôle quantique aux objets à semi-conducteurs. Contrairement aux nuages ​​atomiques, la densité d'un solide est un milliard de fois plus élevée, et tous les atomes sont obligés de se déplacer ensemble le long du centre de masse de l'objet.

Cependant, entrer dans ce nouveau régime n'est pas du tout une entreprise simple. Une première étape pour parvenir à un tel contrôle quantique consiste à isoler l'objet étudié des influences de l'environnement et à éliminer toute énergie thermique en le refroidissant à des températures très proches du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius) de telle sorte que la mécanique quantique domine le mouvement de la particule. Pour montrer cela, les chercheurs ont choisi d'expérimenter avec une bille de verre environ 1000 fois plus petite qu'un grain de sable et contenant quelques centaines de millions d'atomes. L'isolement de l'environnement est obtenu en piégeant optiquement la particule dans un faisceau laser étroitement focalisé sous vide poussé, une astuce qui a été introduite à l'origine par le lauréat du prix Nobel Arthur Ashkin il y a plusieurs décennies, et qui est également utilisé pour isoler des atomes. "Le vrai défi est de refroidir le mouvement des particules dans son état fondamental quantique. Le refroidissement laser via des transitions atomiques est bien établi et un choix naturel pour les atomes, mais ça ne marche pas pour les solides, ", explique l'auteur principal Uros Delic de l'Université de Vienne.

Pour cette raison, l'équipe a travaillé sur la mise en œuvre d'une méthode de refroidissement par laser qui a été proposée par le physicien autrichien Helmut Ritsch à l'Université d'Innsbruck et, indépendamment, par le co-auteur de l'étude Vladan Vuletic et le lauréat du prix Nobel Steven Chu. Ils avaient récemment annoncé une première démonstration du principe de fonctionnement, refroidissement de la cavité par diffusion cohérente; cependant, ils se limitaient encore à opérer loin du régime quantique.

"Nous avons amélioré notre expérience et sommes maintenant en mesure non seulement d'éliminer plus de gaz de fond, mais aussi d'envoyer plus de photons pour le refroidissement, " dit Delic. De cette façon, le mouvement de la bille de verre peut être refroidi directement dans le régime quantique. "C'est drôle de penser à ça :la surface de notre perle de verre est extrêmement chaude, environ 300 degrés Celsius, parce que le laser chauffe les électrons dans le matériau. Mais le mouvement du centre de masse de la particule est ultra-froid, à environ 0,00001 degrés Celsius du zéro absolu, et nous pouvons montrer que la particule chaude se déplace de manière quantique."

Les chercheurs sont enthousiasmés par les perspectives de leurs travaux. Le mouvement quantique des solides a également été étudié par d'autres groupes partout dans le monde, avec l'équipe de Vienne. Jusqu'ici, les systèmes expérimentaux se composaient de résonateurs nano- et micromécaniques - essentiellement, des fûts ou des plongeoirs fixés à une structure de support rigide. « La lévitation optique apporte beaucoup plus de liberté :en changeant le piège optique - ou même en le désactivant - nous pouvons manipuler le mouvement des nanoparticules de manière totalement nouvelle, " dit Nikolaï Kiesel, co-auteur et professeur assistant à l'Université de Vienne.

Plusieurs schémas allant dans ce sens ont été proposés, entre autres par les physiciens autrichiens Oriol Romero-Isart et Peter Zoller à Innsbruck, et peut maintenant devenir possible. Par exemple, en combinaison avec l'état fondamental de mouvement nouvellement atteint, les auteurs s'attendent à ce que cela ouvre de nouvelles opportunités pour des performances de détection sans précédent, l'étude des processus fondamentaux des moteurs thermiques en régime quantique, ainsi que l'étude des phénomènes quantiques impliquant de grandes masses. "Il y a une décennie, nous avons commencé cette expérience motivés par la perspective d'une nouvelle catégorie d'expériences quantiques. Nous avons enfin ouvert la porte à ce régime."