C'est cool d'être petit. Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont miniaturisé les composants optiques nécessaires pour refroidir les atomes à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, la première étape de leur utilisation sur des puces électroniques pour piloter une nouvelle génération d'horloges atomiques ultra-précises, permettre la navigation sans GPS, et simuler des systèmes quantiques.

Refroidir les atomes équivaut à les ralentir, ce qui les rend beaucoup plus faciles à étudier. À température ambiante, les atomes filent dans l'air à presque la vitesse du son, quelque 343 mètres par seconde. Le rapide, les atomes se déplaçant au hasard n'ont que des interactions passagères avec d'autres particules, et leur mouvement peut rendre difficile la mesure des transitions entre les niveaux d'énergie atomique. Lorsque les atomes ralentissent à un rythme effréné (environ 0,1 mètre par seconde), les chercheurs peuvent mesurer les transitions énergétiques des particules et d'autres propriétés quantiques avec suffisamment de précision pour les utiliser comme étalons de référence dans une myriade d'appareils de navigation et autres.

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques ont refroidi des atomes en les bombardant de lumière laser, un exploit pour lequel le physicien du NIST Bill Phillips a partagé le prix Nobel de physique 1997. Bien que la lumière laser énergise normalement les atomes, les obligeant à se déplacer plus rapidement, si la fréquence et les autres propriétés de la lumière sont choisies avec soin, le contraire se produit. En frappant les atomes, les photons laser réduisent la quantité de mouvement des atomes jusqu'à ce qu'ils se déplacent suffisamment lentement pour être piégés par un champ magnétique.

Mais pour préparer la lumière laser afin qu'elle ait les propriétés de refroidir les atomes, il faut généralement un ensemble optique aussi gros qu'une table de salle à manger. C'est un problème car cela limite l'utilisation de ces atomes ultrafroids en dehors du laboratoire, où ils pourraient devenir un élément clé de capteurs de navigation très précis, magnétomètres et simulations quantiques.

Le chercheur du NIST William McGehee et ses collègues ont conçu une plate-forme optique compacte, seulement environ 15 centimètres (5,9 pouces) de long, qui refroidit et piège les atomes gazeux dans une région de 1 centimètre de large. Bien que d'autres systèmes de refroidissement miniatures aient été construits, c'est le premier qui repose uniquement sur le plat, ou planaire, optique, qui sont faciles à produire en masse.

"C'est important car cela montre une voie pour fabriquer de vrais appareils et pas seulement de petites versions d'expériences en laboratoire, " a déclaré McGehee. Le nouveau système optique, alors qu'il est encore environ 10 fois trop gros pour tenir sur une puce électronique, est une étape clé vers l'utilisation d'atomes ultrafroids dans une multitude de compacts, navigation à puce et dispositifs quantiques en dehors d'un laboratoire. Des chercheurs du Joint Quantum Institute, une collaboration entre le NIST et l'Université du Maryland à College Park, avec des scientifiques de l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée de l'Université du Maryland, également contribué à l'étude.

Le dispositif, décrit en ligne dans le Nouveau Journal de Physique, se compose de trois éléments optiques. D'abord, la lumière est lancée à partir d'un circuit intégré optique à l'aide d'un dispositif appelé convertisseur de mode extrême. Le convertisseur agrandit le faisceau laser étroit, initialement environ 500 nanomètres (nm) de diamètre (environ cinq millièmes de l'épaisseur d'un cheveu humain), à 280 fois cette largeur. Le faisceau élargi frappe alors un soigneusement conçu, un film ultrafin connu sous le nom de « métasurface » qui est parsemé de minuscules piliers, environ 600 nm de longueur et 100 nm de largeur.

Les nanopiliers agissent pour élargir encore le faisceau laser d'un autre facteur de 100. L'élargissement spectaculaire est nécessaire pour que le faisceau interagisse efficacement avec et refroidisse une grande collection d'atomes. De plus, en accomplissant cet exploit dans une petite région de l'espace, la métasurface miniaturise le processus de refroidissement.

La métasurface remodèle la lumière de deux autres manières importantes, modifiant simultanément l'intensité et la polarisation (direction de vibration) des ondes lumineuses. Ordinairement, l'intensité suit une courbe en cloche, dans laquelle la lumière est la plus vive au centre du faisceau, avec une atténuation progressive de chaque côté. Les chercheurs du NIST ont conçu les nanopiliers pour que les minuscules structures modifient l'intensité, créant un faisceau qui a une luminosité uniforme sur toute sa largeur. La luminosité uniforme permet une utilisation plus efficace de la lumière disponible. La polarisation de la lumière est également critique pour le refroidissement du laser.

L'expansion, faisceau remodelé frappe alors un réseau de diffraction qui divise le faisceau unique en trois paires de faisceaux égaux et dirigés de manière opposée. Combiné avec un champ magnétique appliqué, les quatre poutres, pousser les atomes dans des directions opposées, servir à piéger les atomes refroidis.

Chaque composant du système optique—le convertisseur, la métasurface et le réseau - avaient été développés au NIST mais étaient en service dans des laboratoires séparés sur les deux campus du NIST, à Gaithersburg, Maryland et Boulder, Colorado. McGehee et son équipe ont réuni les composants disparates pour construire le nouveau système.

"C'est la partie amusante de cette histoire, " dit-il. " Je connaissais tous les scientifiques du NIST qui avaient travaillé indépendamment sur ces différents composants, et j'ai réalisé que les éléments pouvaient être assemblés pour créer un système de refroidissement laser miniaturisé."

Bien que le système optique doive être 10 fois plus petit pour refroidir les atomes au laser sur une puce, l'expérience "est la preuve de principe qu'elle peut être faite, " ajouta McGehee.

"Finalement, rendre la préparation de la lumière plus petite et moins compliquée permettra aux technologies basées sur le refroidissement laser d'exister en dehors des laboratoires, " il a dit.