Dans un article récent publié dans Nature Nanotechnologie , Joel Moser et ses collègues ICFO du groupe de recherche NanoOptoMechanics dirigé par le professeur Adrian Bachtold, avec Marc Dykman (Université du Michigan), rapport sur une expérience dans laquelle un résonateur mécanique à nanotubes de carbone présente des facteurs de qualité allant jusqu'à 5 millions, 30 fois mieux que les meilleurs facteurs de qualité mesurés dans les nanotubes à ce jour.

Imaginez que l'hôte d'un dîner essaie d'attirer l'attention de ses invités en donnant un seul coup de sa cuillère à huîtres sur son verre de cristal. Maintenant, imaginer, à la stupéfaction de tous, que le verre de cristal vibre pendant plusieurs longues minutes, produisant une sonnerie claire. Les invités seraient sûrement émerveillés par ce ton de cristal presque sans fin. Certains pourraient même vouloir enquêter sur l'origine de ce phénomène plutôt que d'écouter le discours de l'hôte.

Le secret d'un tel système de vibration non-stop imaginaire repose sur le fait qu'il dissipe très peu d'énergie. La dissipation d'énergie d'un système vibrant est quantifiée par le facteur de qualité. Dans les laboratoires, en connaissant le facteur de qualité, les scientifiques peuvent quantifier combien de temps le système peut vibrer et combien d'énergie est perdue dans le processus. Cela leur permet de déterminer la précision avec laquelle le résonateur peut mesurer ou détecter des objets.

Les scientifiques utilisent des résonateurs mécaniques pour étudier toutes sortes de phénomènes physiques. De nos jours, les résonateurs mécaniques à nanotubes de carbone sont recherchés en raison de leur taille extrêmement petite et de leur capacité exceptionnelle à détecter des objets à l'échelle nanométrique. Bien qu'ils soient de très bons capteurs de masse et de force, leurs facteurs de qualité ont été quelque peu modestes. Cependant, la découverte faite par les chercheurs de l'ICFO est une avancée majeure dans le domaine de la nanomécanique et un point de départ passionnant pour de futures technologies innovantes.

Qu'est-ce qu'un résonateur mécanique ?

Un résonateur mécanique est un système qui vibre à des fréquences très précises. Comme une corde de guitare ou une corde raide, un résonateur à nanotubes de carbone se compose d'un minuscule, structure vibrante en forme de pont (corde) avec des dimensions typiques de 1 m de longueur et 1 nm de diamètre. Si le facteur de qualité du résonateur est élevé, la corde vibrera à une fréquence très précise, permettant ainsi à ces systèmes de devenir des capteurs de masse et de force attrayants, et des systèmes quantiques passionnants.

Pourquoi cette découverte est-elle si importante ?

Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont observé que les facteurs de qualité diminuaient avec le volume du résonateur, c'est-à-dire que plus le résonateur est petit, plus le facteur de qualité est faible, et à cause de cette tendance, il était impensable que les nanotubes puissent présenter des facteurs de qualité géants.

Les facteurs de qualité géants que les chercheurs de l'ICFO ont mesurés n'ont jamais été observés auparavant dans les résonateurs à nanotubes, principalement parce que leurs états vibrationnels sont extrêmement fragiles et facilement perturbables lorsqu'ils sont mesurés. Les valeurs détectées par l'équipe de scientifiques ont été obtenues grâce à l'utilisation d'un nanotube ultra-propre à des températures de cryostat de 30 mK (-273,12 Celsius - plus froide que la température de l'espace !) rapidement tout en réduisant au maximum le bruit électrostatique.

Joel Moser affirme qu'il a été difficile de trouver ces facteurs de qualité car "les résonateurs à nanotubes sont extrêmement sensibles aux charges électriques environnantes qui fluctuent constamment. Cet environnement orageux affecte fortement notre capacité à capturer le comportement intrinsèque des résonateurs à nanotubes. Pour cette raison, nous avons dû prendre un très grand nombre de clichés du comportement mécanique du nanotube. Seuls quelques-uns de ces instantanés ont capturé la nature intrinsèque de la dynamique du nanotube, quand la tempête s'est momentanément calmée. Au cours de ces courts, moments de calme, le nanotube nous a révélé son facteur de très haute qualité".

Avec la découverte de ces facteurs de haute qualité de cette étude, Les scientifiques de l'ICFO ont ouvert un tout nouveau domaine de possibilités pour les applications de détection, et des expériences quantiques. Par exemple, des résonateurs à nanotubes pourraient être utilisés pour détecter des spins nucléaires individuels, ce qui serait une étape importante vers l'imagerie par résonance magnétique (IRM) avec une résolution spatiale au niveau atomique. Pour le moment, Adrian Bachtold commente que "réaliser une IRM au niveau atomique serait fantastique. Mais, pour ça, nous devions d'abord résoudre divers problèmes technologiques qui sont extrêmement difficiles."