A l'oeil humain, la plupart des objets fixes semblent n'être que cela - encore, et complètement au repos. Pourtant, si on nous tendait une lentille quantique, nous permettant de voir des objets à l'échelle d'atomes individuels, ce qui était une pomme posée paresseusement sur notre bureau apparaîtrait comme une collection grouillante de particules vibrantes, très en mouvement.

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont trouvé des moyens de sur-refroidir les objets afin que leurs atomes soient presque à l'arrêt, ou dans leur "état fondamental en mouvement". À ce jour, les physiciens ont lutté contre de petits objets tels que des nuages ​​de millions d'atomes, ou des objets à l'échelle du nanogramme, dans de tels états quantiques purs.

Maintenant pour la première fois, des scientifiques du MIT et d'ailleurs ont refroidi un grand objet à l'échelle humaine pour se rapprocher de son état fondamental en mouvement. L'objet n'est pas tangible dans le sens d'être situé à un endroit, mais est le mouvement combiné de quatre objets séparés, pesant chacun environ 40 kilogrammes. L'"objet" que les chercheurs ont refroidi a une masse estimée à environ 10 kilogrammes, et comprend environ 1x10 ²⁶ , soit près de 1 octillion, atomes.

Les chercheurs ont profité de la capacité du Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) pour mesurer le mouvement des masses avec une précision extrême et super-refroidir le mouvement collectif des masses à 77 nanokelvins, juste en deçà de l'état fondamental prédit de l'objet de 10 nanokelvins.

leurs résultats, apparaissant aujourd'hui dans Science , représentent le plus gros objet à refroidir pour se rapprocher de son état fondamental en mouvement. Les scientifiques disent qu'ils ont maintenant une chance d'observer l'effet de la gravité sur un objet quantique massif.

"Personne n'a jamais observé comment la gravité agit sur les états quantiques massifs, " dit Vivishek Sudhir, professeur assistant de génie mécanique au MIT, qui a dirigé le projet. "Nous avons démontré comment préparer des objets à l'échelle du kilogramme dans des états quantiques. Cela ouvre enfin la porte à une étude expérimentale de la façon dont la gravité pourrait affecter les grands objets quantiques, quelque chose dont on ne rêvait jusqu'à présent."

Les auteurs de l'étude sont membres du Laboratoire LIGO, et incluent l'auteur principal et étudiant diplômé Chris Whittle, post-doctorant Evan Hall, la chercheuse Sheila Dwyer, Doyen de l'École des sciences et professeur d'astrophysique Curtis et Kathleen Marble Nergis Mavalvala, et professeur adjoint de génie mécanique Vivishek Sudhir.

Refoulement de précision

Tous les objets incarnent une sorte de mouvement en raison des nombreuses interactions que les atomes ont, les uns avec les autres et des influences extérieures. Tout ce mouvement aléatoire se reflète dans la température d'un objet. Lorsqu'un objet est refroidi à une température proche de zéro, il a encore un mouvement quantique résiduel, un état appelé « état fondamental en mouvement ».

Pour arrêter un objet dans son élan, on peut exercer sur lui une force égale et opposée. (Pensez à arrêter une balle de baseball en plein vol avec la force de votre gant.) Si les scientifiques peuvent mesurer avec précision l'amplitude et la direction des mouvements d'un atome, ils peuvent appliquer des forces antagonistes pour faire baisser sa température, une technique connue sous le nom de refroidissement par rétroaction.

Les physiciens ont appliqué le refroidissement par rétroaction par divers moyens, y compris la lumière laser, amener des atomes individuels et des objets ultralégers à leurs états fondamentaux quantiques, et ont tenté de super-refroidir des objets de plus en plus gros, étudier les effets quantiques en plus grand, systèmes traditionnellement classiques.

"Le fait que quelque chose ait de la température est le reflet de l'idée qu'il interagit avec les choses qui l'entourent, " dit Sudhir. " Et il est plus difficile d'isoler des objets plus gros de tout ce qui se passe autour d'eux. "

Pour refroidir les atomes d'un gros objet jusqu'à l'état fondamental, il faudrait d'abord mesurer leur mouvement avec une extrême précision, connaître le degré de refoulement nécessaire pour arrêter ce mouvement. Peu d'instruments au monde peuvent atteindre une telle précision. LIGO, comme ça arrive, pouvez.

L'observatoire de détection des ondes gravitationnelles comprend des interféromètres jumeaux dans des emplacements distincts aux États-Unis. Chaque interféromètre possède deux longs tunnels connectés en forme de L, et s'étendant sur 4 kilomètres dans les deux sens. À chaque extrémité de chaque tunnel se trouve un miroir de 40 kilogrammes suspendu par de fines fibres, qui oscille comme un pendule en réponse à toute perturbation telle qu'une onde gravitationnelle entrante. Un laser au nexus des tunnels est divisé et envoyé dans chaque tunnel, puis réfléchi à sa source. La synchronisation des lasers de retour indique aux scientifiques précisément combien chaque miroir a bougé, avec une précision de 1/10, 000 la largeur d'un proton.

Sudhir et ses collègues se sont demandé s'ils pouvaient utiliser la précision de mesure de mouvement de LIGO pour mesurer d'abord le mouvement de grands, objets à taille humaine, puis appliquer une force de neutralisation, contraire à ce qu'ils mesurent, pour amener les objets à leur état fondamental.

Agir en retour

L'objet qu'ils visaient à refroidir n'est pas un miroir individuel, mais plutôt le mouvement combiné des quatre miroirs de LIGO.

"LIGO est conçu pour mesurer le mouvement conjoint des quatre miroirs de 40 kilogrammes, " explique Sudhir. " Il s'avère que vous pouvez cartographier mathématiquement le mouvement conjoint de ces masses, et considérez-les comme le mouvement d'un seul objet de 10 kilogrammes."

Lors de la mesure du mouvement des atomes et d'autres effets quantiques, Sudhir dit, l'acte même de mesurer peut donner un coup de pied aléatoire au miroir et le mettre en mouvement – ​​un effet quantique appelé « action de retour de mesure ». Lorsque les photons individuels d'un laser rebondissent sur un miroir pour recueillir des informations sur son mouvement, l'élan du photon repousse le miroir. Sudhir et ses collègues ont réalisé que si les miroirs sont mesurés en continu, comme ils sont dans LIGO, le recul aléatoire des photons passés peut être observé dans les informations portées par les photons ultérieurs.

Armé d'un enregistrement complet des perturbations quantiques et classiques sur chaque miroir, les chercheurs ont appliqué une force égale et opposée avec des électro-aimants fixés à l'arrière de chaque miroir. L'effet a presque immobilisé le mouvement collectif, laissant les miroirs avec si peu d'énergie qu'ils ne bougeaient pas plus de 10 ^-20 mètres, moins d'un millième de la taille d'un proton.

L'équipe a ensuite assimilé l'énergie restante de l'objet, ou mouvement, avec la température, et a trouvé que l'objet était assis à 77 nanokelvins, très proche de son état fondamental en mouvement, qu'ils prédisent être de 10 nanokelvins.

"C'est comparable à la température que les physiciens atomiques refroidissent leurs atomes pour atteindre leur état fondamental, et c'est avec un petit nuage de peut-être un million d'atomes, peser des picogrammes, " dit Sudhir. " Alors, il est remarquable que vous puissiez refroidir quelque chose de tellement plus lourd, à la même température."

"Préparer quelque chose dans l'état fondamental est souvent la première étape pour le mettre dans des états quantiques excitants ou exotiques, " dit Whittle. " Ce travail est donc passionnant car il pourrait nous permettre d'étudier certains de ces autres états, à une échelle de masse qui n'a jamais été faite auparavant."