Impression d'artiste :De minuscules vibrations de cordes à l'échelle nanométrique sont converties en signaux lumineux. Alors que cela produit généralement une modulation «propre» (indiquée en rouge), l'interaction extrêmement forte entre le mouvement et la lumière produit des signaux lumineux déformés comme le son d'une guitare rock saturée (en bleu). Crédit :H.J. Boluijt
Les chercheurs de l'AMOLF ont développé des chaînes nanométriques dont le mouvement peut être converti en signaux lumineux avec une force sans précédent. Cela pourrait permettre des capteurs extrêmement précis et s'accompagne d'un effet secondaire important. "Analogue à un ampli guitare en overdrive produisant des ondes sonores distordues, notre forte conversion mouvement-lumière conduit à des signaux lumineux déformés, " dit le chef du groupe Ewold Verhagen. " Mais ces signaux transportent en fait des informations sur le mouvement qui peuvent conduire à de nouvelles façons de mesurer le mouvement de la mécanique quantique. " Les chercheurs ont publié leurs résultats le 7 juillet 2017 dans Communication Nature .
Lorsqu'un guitariste augmente le volume de l'amplificateur au niveau de gain le plus élevé, les vibrations harmoniques « propres » des cordes de guitare sont converties en ondes sonores déformées. Ce son « sale » est souvent souhaitable – le hurlement des amplis de guitare saturés définit le son de la musique rock depuis des décennies.
Lumière étroitement confinée
Le groupe Photonic Forces de l'AMOLF étudie l'interaction du mouvement et de la lumière à l'aide de cordes en silicium à l'échelle nanométrique qui vibrent comme des cordes de guitare à des millions de fois par seconde. Les chercheurs utilisent la lumière pour mesurer ces vibrations avec une extrême précision. Le doctorant Rick Leijssen et ses collègues ont développé des cordes avec une forme particulière pour presser la lumière entre les cordes à une échelle de dizaines de nanomètres. "Le confinement serré provoque la conversion du mouvement mécanique en signaux lumineux d'une force sans précédent. C'est un grand pas en avant pour créer des capteurs de mouvement d'une extrême précision, " dit Leijssen. " De tels capteurs pourraient détecter les vibrations des cordes avec des amplitudes aussi petites que la taille d'un proton et pourraient être utilisés pour mesurer de petites forces et masses. "
(haut) Image au microscope électronique des nanocordes de silicium sous la forme d'un cristal photonique tranché. Leur vibration (milieu, mouvement exagéré) affecte fortement la lumière piégée entre les « dents » des cordes (en bas). Crédit :AMOLF
Signaux déformés
La forte conversion du mouvement en lumière dans les cordes en silicium a un effet secondaire :la conversion est si forte que même pour les minuscules fluctuations intrinsèques des cordes, la lumière est "surchargée, ' analogue à ce qui se passe dans les amplificateurs de guitare rock. Verhagen dit, "Semblable au son hurlant d'un amplificateur saturé, les signaux lumineux de notre expérience contiennent de nombreuses harmoniques supérieures (« harmoniques ») de la résonance fondamentale de la corde. C'est parce que la conversion entre le mouvement et la lumière n'est plus linéaire."
Révéler le comportement de la mécanique quantique
Dans un sens, cette conversion non linéaire forme une limite pratique à la sensibilité au mouvement. Cependant, les signaux lumineux déformés pourraient être réutilisés. Une raison importante pour laquelle les physiciens de l'AMOLF étudient les minuscules vibrations des cordes est de révéler si des objets comme les cordes se comportent selon les lois de la mécanique quantique. Le chercheur postdoctoral Juha Muhonen déclare :"Les harmoniques les plus élevées des signaux lumineux produits transportent différents types d'informations sur le mouvement des nanocordes. Par exemple, nous avons démontré qu'ils permettent de mesurer l'énergie de la vibration avec une grande précision. Cela pourrait potentiellement conduire à des observations directes de l'énergie quantifiée dans la corde, comme on peut s'y attendre de la théorie de la mécanique quantique."
