Des chercheurs de Suisse, d’Autriche et d’Abu Dhabi ont recréé en laboratoire le moment où la physique ordinaire commence à se comporter avec des principes quantiques. Cela représente une étape cruciale pour l’investigation d’une nouvelle physique quantique et pour la construction de capteurs très sensibles.
Depuis la formulation de la théorie quantique il y a plus de 100 ans, la question de savoir quelle taille d’un objet commence à être décrite par les lois de la physique quantique, plutôt que par les règles de la physique classique, est restée sans réponse.
Une équipe de scientifiques composée de Lucas Novotny (Zurich), Markus Aspelmeyer (Vienne), Carlos Gonzalez Ballestero et Oriol Romero-Isart (Innsbruck) et Romain Quidant (Zurich), tentent depuis plus d’un an de répondre à cette question au sein du projet européen ERC-Synergy Q-Xtreme (2021-2027) : à quel moment les lois de la physique quantique commencent-elles à opérer sur des objets massifs de taille arbitraire ?
Le nanoparticules de verre piégées par des lasers dans le vide extrême ils sont considérés comme une plate-forme prometteuse pour explorer le moment où le monde quantique se manifeste dans le domaine de la physique atomique.
Ce n’est pas qu’une théorie : ces scientifiques ont déjà pu maintenir en suspension des billes de verre, environ mille fois plus petites qu’un grain de sable, sous forme ultra-refroidie et sous ultra-vide, pour étudier les effets quantiques dans des objets macroscopiques. et construire des capteurs extrêmement sensibles, comme l’explique un article publié dans la revue « Nature Physics ».
frontière quantique
Recréer cette frontière en laboratoire avec des nanoparticules de verre a représenté un défi technique majeur, mais aussi une nécessité pour que les molécules de gaz ne détruisent pas les propriétés quantiques d’un état lors de cette « mutation » de la physique atomique en physique quantique.
Bien qu’il s’agisse de nanoparticules, les sphères de verre utilisées dans ces expériences sont encore énormes, comparées aux échelles minuscules sur lesquelles se déroule le monde quantique : elles sont constituées de plusieurs centaines de millions d’atomes, qui ne peuvent être décrits que par des lois physiques ordinaires. .
Le projet « Q-Xtreme » est celui qui travaille à recréer en laboratoire les conditions dans lesquelles les lois de la physique quantique dominent et repoussent les lois de la physique classique au second plan.
L’équipe du projet Q-Xtreme protagoniste de cette recherche de pointe : de gauche à droite : Lukas Novotny, Markus Aspelmeyer, Carlos Gonzalez Ballestero, Romain Quidant et Oriol Romero Isart. Q-Xtreme.
Quelles sont ces conditions extrêmes ?
Ces conditions extrêmes sont basées sur quelque chose de très simple : dans le monde physique ordinaire, les objets flottant dans l’air (comme un ballon de football ou une nanosphère de verre de millions d’atomes) peuvent se déplacer dans trois directions : vers le haut et vers le bas. ; à droite et à gauche; ou en ligne droite, en avant et en arrière.
Ce que ces scientifiques ont pu déterminer, c’est que cette oscillation est le moment où l’extraordinaire se produit : à un moment donné de cette dynamique spatiale, le mouvement des objets peut cesser de se comporter selon les lois physiques ordinaires et adopter un comportement quantique.
Un tel saut peut être réalisé en laboratoire si une nanoparticule flottante est privée le plus complètement possible de son énergie cinétique.
état fondamental quantique
Pour ce faire, la nanosphère est refroidie dans un ultra-vide (caractérisé lorsqu’elle atteint une très basse pression) jusqu’au zéro presque absolu (moins 273 degrés Celsius). Ces systèmes sont contrôlés et refroidis à l’aide d’une lumière laser hautement focalisée.
De cette façon il fige au maximum l’énergie emmagasinée dans le mouvement de la nanoparticule, c’est-à-dire que la particule est refroidie jusqu’à ce que l’on appelle état fondamental quantique, c’est-à-dire lorsqu’il atteint son niveau d’énergie le plus bas. Dans cet état, la dynamique quantique prend le relais de la physique ordinaire.
Le physicien théoricien espagnol Carlos Gonzalez Ballesterode l’Institut de physique théorique de l’Université d’Innsbruck, et l’un des auteurs de cette recherche, explique à T21/Prensa Ibérica que lors des expériences qu’ils ont menées dans ces conditions extrêmes, la sphère se déplace toujours en trois dimensions.
fourchette quantique
Et il ajoute : « Ce que nous avons réalisé avec cette recherche, c’est que le mouvement le long de deux de ces directions est gelé jusqu’à l’état quantique fondamental. Auparavant, il n’était possible de refroidir le mouvement que dans une seule direction.
González-Ballesteros précise également que, dans ces conditions extrêmes créées en laboratoire, c’est lorsque la frontière physique bifurque : « la particule oscille comme si elle était un ressort, le long de X, Y et Z simultanément. Refroidir cette oscillation selon 1 ou 2 directions signifie que les oscillations selon X, ou selon X et Y simultanément, sont réduites à l’état quantique fondamental. Le mouvement dans la direction Z est toujours là, mais il n’est pas dans le régime quantique », précise-t-il.
Cela signifie qu’en laboratoire, il a été possible pour une sphère de verre en lévitation dans des conditions extrêmes de réduire à l’état quantique fondamental deux des mouvements de ses oscillations, qui dans cet état figé adoptent des comportements typiques du monde subatomique, au lieu de l’état propre mouvement de la dynamique atomique.
Vue latérale du montage expérimental avec lentilles et miroirs entre lesquels la nanoparticule est placée. Université d’Innsbruck.
lévitodynamique
L’approche sous-jacente à ce travail s’appelle la « lévitodynamique »: en utilisant cette discipline scientifique (comme l’électrodynamique ou la théorie quantique, explique González-Ballestero), des nano-objets sont mis en lévitation dans le vide à l’aide d’un faisceau laser pour observer quand adoptent-ils propriétés quantiques ?
Cela n’est possible que si la lumière laser est ajustée avec précision de sorte que la sphère soit suspendue entre des miroirs dans la chambre à vide poussé où se déroule l’expérience.
González-Ballestero explique à cet égard que ces miroirs agissent comme des « réfrigérateurs », bien qu’ils ne puissent refroidir que deux directions de mouvement de la particule. Pour que cela se produise, les fréquences auxquelles la particule oscille dans les deux sens doivent être suffisamment différentes. En même temps, ils doivent être suffisamment proches pour interagir efficacement avec les miroirs « plus froids ».
Les chercheurs pensent que cette approche originale montre qu’il est même possible de restreindre les trois sens de déplacement de la nanoparticule à l’état quantique fondamental.
« Une conséquence très importante de notre travail est qu’il montre que le refroidissement 3D est possible : avec des miroirs on savait refroidir une direction, et avec d’autres méthodes (feedback) on pouvait refroidir la direction dans laquelle se propage le laser, mais on manquait. Notre expérience y est parvenue », souligne González-Ballestero.
nouvelle physique quantique
Cela ouvre de nouvelles perspectives : « le refroidissement jusqu’à l’état fondamental dans plus d’une direction de mouvement est la clé pour étudier la nouvelle physique quantique« , conclut le scientifique espagnol.
D’un point de vue technique, ces recherches conduisent au développement d’appareils extrêmement sensibles avec nouveaux capteurs pour mesurer simultanément les mouvements, la position dans l’espace, la gravité, la pression, les forces d’inertie ou les champs électriques ou magnétiques.
Si la particule peut être amenée à l’état fixe multidimensionnel avec une telle précision, elle est « extrêmement sensible aux plus petits changements de position », conclut González-Ballestero.
Référence
Refroidissement simultané à l’état fondamental de deux modes mécaniques d’une nanoparticule en lévitation. Johannes Piotrowski et al. Physique de la nature (2023). DOI : https://www.nature.com/articles/s41567-023-01956-1