La lévitation de grands objets et d'atomes isolés est devenue une technique largement utilisée en science et en ingénierie. Au cours des dernières années, de nombreux chercheurs ont commencé à explorer un nouvel horizon :la lévitation de nano- et micro-particules encore plus petites que le diamètre d'un seul cheveu, mais composé de milliards d'atomes — dans le vide.

La capacité de manipuler et de mesurer la translation et la rotation de ces objets avec une grande précision a généré une nouvelle plate-forme expérimentale avec des opportunités uniques pour la recherche fondamentale et appliquée.

"Pour ne citer que quelques exemples :les hautes sensibilités des objets en lévitation aux forces et accélérations externes alimentent à la fois le développement de capteurs et la recherche de nouvelles physiques, et le contrôle total du frottement et des forces affectant le mouvement de ces particules le test des hypothèses thermodynamiques stochastiques. De plus, le frottement et le bruit peuvent être réduits à un minimum fondamental en créant un ultravide, ouvrant la voie non seulement à la détection et à la détection quantiques, mais aussi pour explorer des superpositions quantiques macroscopiques dans un régime de grandes masses jusqu'alors inexploré", dit Oriol Romero-Isart de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences et du Département de physique théorique de l'Université d'Innsbruck.

Refroidi dans l'état fondamental quantique

En 2010, les techniques d'optique quantique ont d'abord été proposées comme moyen de refroidir le mouvement d'une nanoparticule en lévitation jusqu'au régime quantique à l'aide d'une cavité optique. Depuis, ces propositions ont été développées expérimentalement et complétées par la réalisation de mécanismes de contrôle basés sur l'optique, électrique, et les forces magnétiques. A présent, les schémas de refroidissement à base de cavité optique et à rétroaction active ont réussi à refroidir le mouvement d'une nanoparticule diélectrique en lévitation dans l'état fondamental quantique, ouvrant la voie à une physique quantique inexplorée.

La physique, science des matériaux et capteurs

La lévitation de nano-objets dans un vide poussé offre de nouvelles opportunités de recherche et d'applications en fournissant une isolation auparavant inaccessible de l'environnement. "La boîte à outils actuelle permet de faire léviter et contrôler tout type de nanoobjet, y compris les aimants, métaux, diamants contenant des centres de couleur, graphène, gouttelettes de liquide, et même de l'hélium superfluide, au moyen de l'optique, électrique, et les interactions magnétiques", explique Carlos Gonzalez-Ballestero, Chercheur postdoctoral au Département de physique théorique de l'Université d'Innsbruck. "Ces interactions fournissent également un moyen de coupler les degrés de liberté internes (par exemple, les phonons, magnons, excitons) aux degrés de liberté externes bien contrôlés (translation, rotation)."

Les systèmes à lévitation sont des bancs d'essai propres pour la science des matériaux, où la matière dans des conditions extrêmes peut être sondée et même conçue. Par ailleurs, les systèmes en lévitation sont une plate-forme idéale pour étudier la physique hors équilibre. Étendre le contrôle à tous les degrés de liberté d'une particule en lévitation permet de réduire les sources de bruit et de décohérence. Il ouvrira la porte à un nouveau régime de physique quantique macroscopique (par exemple, la préparation de superpositions quantiques macroscopiques d'objets composés de milliards d'atomes) et le sondage de forces faibles (par exemple, celles prédites par les modèles de matière noire) dans des régimes encore inexplorés. Finalement, l'utilisation de systèmes en lévitation pour la détection ultrasensible des forces offre également des opportunités pour les applications de détection commerciales, y compris les gravimètres, capteurs de pression, capteurs de force inertielle, et capteurs de champ électrique/magnétique.