Des physiciens de l'Université de Bâle ont développé une nouvelle technique de refroidissement pour les systèmes quantiques mécaniques. En utilisant un gaz atomique ultrafroid, les vibrations d'une membrane ont été refroidies à moins de 1 degré au-dessus du zéro absolu. Cette technique peut permettre de nouvelles études de la physique quantique et des dispositifs de mesure de précision, comme le rapportent les chercheurs dans la revue Nature Nanotechnologie .

Les gaz atomiques ultrafroids sont parmi les objets les plus froids qui existent. Les faisceaux laser peuvent être utilisés pour piéger des atomes à l'intérieur d'une chambre à vide et ralentir leur mouvement à un rampement, atteindre des températures inférieures à 1 millionième de degré au-dessus du zéro absolu - la température à laquelle tout mouvement s'arrête. A des températures aussi basses, les atomes obéissent aux lois de la physique quantique :ils se déplacent comme de petits paquets d'ondes et peuvent se superposer à plusieurs endroits à la fois. Ces caractéristiques sont exploitées dans des technologies telles que les horloges atomiques et autres appareils de mesure de précision.

Un réfrigérateur atomique ultrafroid

Ces gaz ultrafroids peuvent-ils également être utilisés comme réfrigérants, refroidir d'autres objets à des températures très basses ? Cela ouvrirait de nombreuses possibilités pour l'étude de la physique quantique dans des systèmes nouveaux et potentiellement plus grands. Le problème est que les atomes sont microscopiquement petits et même les plus gros nuages ​​produits jusqu'à présent, qui se composent de plusieurs milliards d'atomes ultrafroids, contiennent encore beaucoup moins de particules que quelque chose d'aussi petit qu'un grain de sable. Par conséquent, le pouvoir de refroidissement des atomes est limité.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Bâle dirigée par le professeur Philipp Treutlein a maintenant réussi à utiliser des atomes ultrafroids pour refroidir les vibrations d'une membrane millimétrique. La membrane, un film de nitrure de silicium de 50 nm d'épaisseur, oscille de haut en bas comme une petite peau de tambour carrée. De tels oscillateurs mécaniques ne sont jamais complètement au repos mais présentent des vibrations thermiques qui dépendent de leur température. Bien que la membrane contienne environ un milliard de fois plus de particules que le nuage atomique, un fort effet de refroidissement a été observé, qui a refroidi les vibrations de la membrane à moins de 1 degré au-dessus du zéro absolu.

"L'astuce ici est de concentrer toute la puissance de refroidissement des atomes sur le mode vibrationnel souhaité de la membrane, " explique le Dr Andreas Jöckel, un membre de l'équipe de projet. L'interaction entre les atomes et la membrane est générée par un faisceau laser. Comme l'explique le physicien :« La lumière laser exerce des forces sur la membrane et les atomes. La vibration de la membrane modifie la force lumineuse sur les atomes et vice versa. Le laser transmet l'effet de refroidissement sur des distances de plusieurs mètres, le nuage atomique n'a donc pas besoin d'être en contact direct avec la membrane. Le couplage est amplifié par un résonateur optique constitué de deux miroirs, entre lesquels la membrane est prise en sandwich.

La première expérience du genre dans le monde

Des systèmes utilisant la lumière pour coupler des atomes ultrafroids et des oscillateurs mécaniques ont déjà été proposés théoriquement. L'expérience de l'Université de Bâle est la première au monde à réaliser un tel système et à l'utiliser pour refroidir l'oscillateur. D'autres améliorations techniques devraient permettre de refroidir les vibrations membranaires jusqu'à l'état fondamental de la mécanique quantique.

Pour les chercheurs, le refroidissement de la membrane avec les atomes n'est que la première étape :« La nature quantique bien contrôlée des atomes combinée à l'interaction induite par la lumière ouvre de nouvelles possibilités pour le contrôle quantique de la membrane, " dit Treutlein. Cela peut permettre des expériences de physique quantique fondamentale avec un système mécanique relativement macroscopique, visible à l'œil nu. Il peut également être possible de générer ce que l'on appelle des états intriqués entre les atomes et la membrane. Ceux-ci permettraient de mesurer les vibrations membranaires avec une précision sans précédent, ce qui à son tour pourrait permettre le développement de nouveaux types de capteurs pour les petites forces et masses.