« Squeezing » est utilisé en physique, entre autres, pour améliorer la résolution des instruments de mesure. Il permet de supprimer les bruits perturbateurs de manière à détecter les signaux plus petits avec plus de sensibilité. L'équipe dirigée par la physicienne professeur Eva Weig à l'Université de Constance a maintenant pu montrer comment un tel état comprimé peut être mesuré d'une manière beaucoup plus simple qu'avec les méthodes existantes. De plus, la nouvelle méthode permet d'examiner les états comprimés dans des systèmes où de telles mesures n'étaient pas possibles auparavant. Les résultats sont publiés dans le numéro actuel de la revue Examen physique X .

Comprimer les fluctuations thermiques d'une nanocorde

Dans l'expérience du groupe Nanomécanique dirigée par Eva Weig, les fluctuations thermiques d'un résonateur à corde nanomécanique vibrant sont comprimées. La nanocorde peut être considérée comme une petite corde de guitare, mille fois plus fin et plus court qu'un cheveu humain. Les systèmes nanomécaniques tels que la nanocorde à l'étude sont des candidats prometteurs pour des instruments de mesure de haute précision. leur sensibilité, cependant, est naturellement limité à température ambiante. L'énergie thermique provoque un bruit thermique, un tremblement de la corde, ce qui limite la précision de mesure. Cette vibration incontrôlée du système à température ambiante est basée sur le théorème d'équipartition thermodynamique, un principe fondamental de la physique classique. Par conséquent, le bruit thermique doit être également important dans chaque direction de ce que l'on appelle l'espace des phases, c'est-à-dire former une distribution circulaire.

Weig et sa doctorante Jana Huber ont ajouté un puissant moteur à ce bruit thermique. De cette façon, la corde a été frappée très fort. Si la corde est suffisamment déviée, il cesse de se comporter de manière linéaire. Cela signifie que la force qui dévie la corde n'est plus proportionnelle à la force qui la ramène à sa position d'origine. L'entraînement puissant modifie les fluctuations thermiques à la suite d'une violation de la symétrie d'inversion du temps. Dans l'espace des phases, ils ne ressemblent plus à un cercle mais à une ellipse :Au moins dans un sens, son diamètre, c'est-à-dire le bruit, devient nettement plus petit - il est comprimé. "On savait théoriquement à l'avance que cela devrait arriver, mais il n'a jamais été mesuré avec une telle clarté, car c'est un effet relativement subtil, " explique Eva Weig.

Facteurs perturbateurs

Cependant, la méthode de cartographie de l'état comprimé directement dans l'espace des phases ne fonctionne pas toujours. Ceci s'applique également à la nanocorde étudiée par les chercheurs de Constance. Alors qu'une corde de guitare conventionnelle, une fois cueilli, ne se balance que quelques centaines de fois avant de se calmer à nouveau, une nanocorde vibre sur 300, 000 fois. Cependant, cette haute "qualité mécanique" rend également la corde très sensible aux perturbations, telles que des fluctuations de température minimales. La mesure d'un état comprimé sous forme d'ellipse dans l'espace des phases n'est pas possible dans ces systèmes.

Huber poursuit donc un concept différent avec sa mesure. Le bruit n'est pas examiné dans tout l'espace des phases, mais seulement résolu spectralement, c'est-à-dire en fonction des fréquences qui y sont présentes. En plus de la fréquence d'entraînement, le spectre montre deux autres composantes de fréquence, un à gauche et un à droite du lecteur, qui sont attribués au bruit thermique. Les physiciens théoriques Dr Gianluca Rastelli et le professeur Wolfgang Belzig de l'Université de Constance et le professeur Mark Dykman de la Michigan State University (États-Unis), qui sont également impliqués dans le travail, avait prédit exactement cette occurrence d'autres fréquences. "Mais personne ne l'avait jamais vu aussi magnifiquement auparavant. Cela est dû au fait que notre qualité mécanique est si élevée que nous avons pu le résoudre avec une clarté cristalline, " dit Eva Weig.

Ainsi, c'est aussi la première fois que ces deux signaux satellites peuvent différer en hauteur. En étroite collaboration avec Gianluca Rastelli, Huber a pu montrer que la différence d'intensité entre ces deux satellites - le rapport des zones sous les deux signaux satellites - est une mesure directe du paramètre de compression, c'est-à-dire la force avec laquelle le bruit est comprimé.

'Rapidement simple'

" Radicalement simple ", c'est ainsi que les physiciens Weig et Dykman décrivent la méthode qui permet de comprimer les mesures non seulement dans des systèmes mécaniques comme celui-ci, mais sur une large gamme de systèmes, l'essentiel étant qu'ils soient de haute qualité et qu'ils aient une forte motivation. Il existe même des liens avec les systèmes de mécanique quantique.

Par ailleurs, il y a une « congruence captivante entre l'expérience et la théorie, " comme le soulignent unanimement Eva Weig et Wolfgang Belzig. Les données mesurées correspondent précisément au modèle développé par les collègues théorico-physiques de Constance et de la Michigan State University.