Des scientifiques ralentissent une minuscule sphère jusqu’à son état le plus bas de la mécanique quantique
Des chercheurs de l’ETH Zurich, en Suisse, ont annoncé avoir piégé une minuscule sphère de verre de 100 nanomètres de diamètre à l’aide de rayons laser et avoir ralenti son mouvement jusqu’à l’état le plus bas de la mécanique quantique.
Image d’entête : une sphère de verre d’une centaine de nanomètres de diamètre (point vert au centre de l’image) est mise en suspension par un faisceau laser très concentré. (ETH Zurich)
Ces dernières années, les scientifiques se sont efforcés d’amener des objets de plus en plus grands à se comporter selon les lois de la mécanique quantique afin de les étudier de près. Parmi les curieux effets de la mécanique quantique, lorsqu’un objet (particule) passe à travers une double fente, il forme un motif d’interférence caractéristique d’une onde, ce que l’on appelle la dualité onde-corpuscule.
Les chercheurs y sont parvenus avec des molécules composées de quelques milliers d’atomes, mais les scientifiques veulent pouvoir observer les effets quantiques avec des objets macroscopiques. Des chercheurs de l’ETH Zürich ont fait un pas vers cet objectif dans une étude récente en amenant un objet macroscopique sous la forme d’une minuscule sphère de verre dans un état de la mécanique quantique. Cette sphère contient pas moins de 10 millions d’atomes, 1000 fois plus petite que l’épaisseur d’un cheveu humain.
L’équipe a utilisé un faisceau laser très concentré qui a fait planer la sphère dans un piège optique à l’intérieur d’un récipient sous vide refroidi à -269 °C.0 (image d’entête) Ces températures ont été utilisées parce que plus la température est basse, plus la sphère est sensible à la lumière et plus le mouvement thermique de l’objet est faible. Le chercheur Felix Tebbenjohanns explique que pour observer les effets quantiques, la nanosphère doit être ralentie jusqu’à son état fondamental de mouvement.
Une nanosphère est mise en suspension par une lumière laser focalisée (a). La lumière laser agit comme un piège dans lequel la sphère peut osciller d’avant en arrière (b). Des champs électriques sont utilisés pour ralentir ce mouvement. (ETH Zurich)
Les oscillations de la sphère et son énergie de mouvement sont réduites au point où la relation d’incertitude de la mécanique quantique empêche toute réduction supplémentaire. En d’autres termes, lorsque l’équipe gèle l’énergie de mouvement de la sphère au minimum, celle-ci est proche du mouvement du point zéro de la mécanique quantique.
Pour ralentir la nanosphère, les chercheurs ont dû être extrêmement précis et superposer la lumière réfléchie par la sphère à un autre faisceau laser, ce qui a donné lieu à un motif d’interférence, évoquer par le Guru dans son introduction. À partir de la position du motif d’interférence, il est possible de déduire où se trouve la sphère à l’intérieur du piège à laser. Cette information a été utilisée pour calculer la force avec laquelle il faut pousser ou tirer la sphère pour la ralentir.
Le ralentissement effectif est assuré par une paire d’électrodes dont les champs électriques exercent une force de Coulomb précisément déterminée sur la nanosphère chargée électriquement. Les chercheurs du projet affirment que c’est la première fois que cette méthode est utilisée pour contrôler l’état quantique d’un objet macroscopique dans un espace libre.
L’étude publiée dans Nature : Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space et présentée sur le site de l’ETH Zurich : Nanosphere at the quantum limit.
