Une microsphère de carbonate de calcium, la taille d'une cellule, et lévitée par la lumière, agit comme un oscillateur ultra-stable (« horloge »). Le micro-oscillateur est très précis, mouvement stable dans l'étude. Crédit :Yoshi Arita (Université de St Andrews et Université de Chiba)
Une nouvelle « horloge » mécanique a été créée par une équipe internationale de chercheurs, dirigé par des scientifiques de l'Université de St Andrews, qui pourrait tester la physique fondamentale de la gravité.
L'oscillateur mécanique en lévitation, créé dans une sphère de verre de la taille d'une seule cellule sanguine, a été manipulé par la lumière par l'équipe pour créer un capteur ultra-sensible qui pourrait mesurer les changements de température et de pression à l'échelle nanométrique.
Cette horloge très précise pourrait potentiellement détecter la gravité à des échelles plus petites qu'auparavant et trouver des preuves potentielles d'écarts par rapport aux lois de la gravité de Newton appelant à une nouvelle physique au-delà de ce que nous comprenons actuellement.
La recherche, soutenu par le UK Engineering and Physical Sciences Research Council et la Czech Science Foundation, est publié dans Avancées scientifiques .
La résonance est un phénomène qui nous entoure :elle se produit lorsqu'un objet vibre ou "oscille" au même rythme naturel qu'un second objet adjacent, cela force ce deuxième objet à se mettre en vibration, montrant souvent de grands mouvements.
Pour fabriquer des instruments de musique sonores, nous utilisons la résonance entre l'air et le corps de l'instrument. La résonance explique même le bruit de la mer que l'on entend lorsqu'un coquillage est placé jusqu'à votre oreille.
En physique, cela peut être utilisé à bon escient avec des résonateurs de la taille de cellules ou même d'atomes. Ils subissent un mouvement périodique, semblable à une horloge, et peuvent se conduire les uns les autres. Cela conduit à des moyens de faire des mesures avec une précision sans précédent.
Par exemple, des sauts d'énergie internes périodiques (vibrations) dans les atomes peuvent être liés à des garde-temps externes :ceux-ci sont au cœur de la fabrication des systèmes de positionnement global (GPS) pour un chronométrage ultra-précis. La durée pendant laquelle ce mouvement périodique peut être maintenu est déterminée par la valeur "Q". Un résonateur avec un facteur Q élevé sonne ou vibre plus longtemps, permettant des mesures plus précises.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de St Andrews en Écosse, l'Institut des instruments scientifiques de l'Académie tchèque des sciences en République tchèque, L'université de Chiba au Japon et l'université de Yonsei en Corée ont observé un mouvement périodique ultra-précis dans une minuscule sphère de verre, la taille d'une cellule sanguine, maintenu sous vide par la lumière.
La réalisation de l'étude sous vide a permis d'éviter les frottements qui amortiraient le mouvement et réduiraient la valeur Q. L'équipe a manipulé la lumière pour que la petite sphère se déplace d'avant en arrière et tourne en parfaite harmonie, créant une "horloge" très bien définie.
Le mouvement de la sphère a atteint une valeur Q de plus de 100 millions, plus de 100 fois plus élevé que les résultats rapportés précédemment pour de tels systèmes. Ce mouvement est très sensible à toute influence extérieure et l'équipe vise à l'utiliser pour capter de minuscules perturbations environnementales, comme les changements de température et de pression, et même tester la physique fondamentale.
Dr Yoshi Arita, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de St Andrews, et du Molecular Chirality Research Center de l'Université de Chiba, dit :"Malheureusement, même les collisions des molécules de gaz clairsemées autour de la particule peuvent introduire des erreurs dans le tic-tac de notre horloge (mouvement de la microsphère) qui peuvent limiter sa précision.
« Nous avons corrigé ces erreurs en prenant un signal laser périodique pour conduire ou « pousser » la microsphère :un peu comme un enfant sur une balançoire donnant des coups de pied dans ses jambes exactement au bon moment avec la balançoire pour lui faire faire d'énormes balançoires :cela a rendu le mouvement de notre sphère très stable. Si c'était en fait une horloge, il serait si précis qu'il n'aurait perdu qu'un demi-millionième de seconde en une journée entière."
Dr Stephen Simpson, un physicien théoricien à l'Institut des instruments scientifiques de l'Académie tchèque des sciences, dit :« Sur une échelle de longueur microscopique, le mouvement d'une particule est de nature aléatoire en raison des fluctuations d'énergie, mais il est étonnant de voir que la nature a également conçu un schéma pour extraire un travail utile de mouvement dirigé de cette minuscule machine. »
Professeur Kishan Dholakia, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de St Andrews et professeur affilié aux universités de Chiba et Yonsei, a déclaré :« L'équipe a réalisé un travail vraiment exceptionnel qui, selon nous, trouvera un écho auprès de la communauté internationale. En plus des aspects passionnants de la physique fondamentale, la qualité de nos oscillateurs établit une nouvelle référence dans ce domaine. Nous visons à les explorer pour développer la prochaine génération de dispositifs de détection exquis. »
L'article « oscillations cohérentes d'une microsphère biréfringente en lévitation dans le vide entraînée par un couplage rotation-translation non conservateur » par Y Arita, S H Simpson, P Zemanek, et K Dholakia est publié dans Avancées scientifiques .
