L'une des questions ouvertes les plus profondes de la physique moderne est: « La gravité est-elle quantique? » Les autres forces fondamentales – électromagnétiques, faibles et fortes – ont toutes été décrites avec succès, mais aucune théorie quantique complète et cohérente de la gravité n'existe encore.
« Les physiciens théoriques ont proposé de nombreux scénarios possibles, de la gravité étant intrinsèquement classique à entièrement quantique, mais le débat reste non résolu parce que nous n'avons jamais eu de moyen clair de tester la nature quantique de la gravité dans le laboratoire », explique Dongchel Shin, un doctorat. candidat au Département de génie mécanique du MIT (MECHE).
« La clé pour répondre à cela réside dans la préparation des systèmes mécaniques suffisamment massifs pour ressentir de la gravité, mais assez calme – assez – assez – pour révéler comment la gravité interagit avec eux. »
Shin, qui est également un boursier Mathworks, recherche des plateformes de métrologie quantique et de précision qui sondent la physique fondamentale et sont conçues pour ouvrir la voie à la future technologie industrielle. Il est l'auteur principal d'un nouvel article qui démontre le refroidissement au laser d'un oscillateur en torsion d'un centimètre. Le document à accès ouvert, « Active Laser Cooling of a Centimeter-Scale Torsional Oscillateur », a récemment été publié dans la revue Optica.
Les lasers sont systématiquement utilisés pour refroidir les gaz atomiques depuis les années 1980 et sont utilisés dans le mouvement linéaire des oscillateurs mécaniques à l'échelle nanométrique depuis vers 2010. Le nouvel article présente la première fois que cette technique est étendue à ces oscillateurs de torsion, qui sont essentiels à un effort mondial pour étudier la gravité en utilisant ces systèmes.
« Les pendules de torsion sont des outils classiques pour la recherche sur la gravité depuis la célèbre expérience de Cavendish en 1798. Ils ont été utilisés pour mesurer la constante gravitationnelle de Newton, G, tester la loi carré inverse et rechercher de nouveaux phénomènes gravitationnels », explique Shin.
En utilisant des lasers pour éliminer presque tous les mouvements thermiques des atomes, au cours des dernières décennies, les scientifiques ont créé des gaz atomiques ultracold à des températures micro et nanokelvin. Ces systèmes alimentent désormais les horloges les plus précises du monde – les horloges de réseau optiques – avec une précision de chronométrage si élevée qu'elles gagneraient ou perdraient moins d'une seconde sur l'âge de l'univers.
« Historiquement, ces deux technologies se sont développées séparément – une en physique gravitationnelle, l'autre en physique atomique et optique », explique Shin. « Dans notre travail, nous les réunissons.
Le nouveau papier montre le refroidissement au laser d'un oscillateur de torsion à l'échelle des centimètres de la température ambiante à une température de 10 millikelvins (1/1 000e de Kelvin) à l'aide d'un levier optique en miroir.
« Un levier optique est une technique de mesure simple mais puissante: vous faites briller un laser sur un miroir, et même une petite inclinaison du miroir fait que le faisceau réfléchi se déplace sensiblement sur un détecteur. Cela magnifie les petits mouvements angulaires dans des signaux facilement mesurables », explique Shin, notant que si la prémisse est simple, les défis de l'équipe sont confrontés à la pratique.
« Le faisceau laser lui-même peut bouger légèrement en raison des courants d'air, des vibrations ou des imperfections dans l'optique. Ces tremblements peuvent apparaître faussement comme un mouvement du miroir, limitant notre capacité à mesurer les vrais signaux physiques. »
Pour surmonter cela, l'équipe a utilisé l'approche du levier optique en miroir, qui utilise une deuxième version en miroir du faisceau laser pour annuler la gigue indésirable.
« Un faisceau interagit avec l'oscillateur de torsion, tandis que l'autre se reflète sur un miroir du cube d'angle, inversant une gigue sans ramasser le mouvement de l'oscillateur », explique Shin. « Lorsque les deux faisceaux sont combinés au détecteur, le signal réel de l'oscillateur est préservé et le faux mouvement de (la) gigue laser est annulé. »
Cette approche a réduit le bruit d'un facteur de mille, ce qui a permis aux chercheurs de détecter le mouvement avec une extrême précision, près de 10 fois mieux que les propres fluctuations quantiques de l'oscillateur. « Ce niveau de sensibilité nous a permis de refroidir le système à seulement 10 milliers de kelvins en utilisant la lumière laser », explique Shin.
Shin dit que ce travail n'est que le début. « Alors que nous avons atteint une précision limitée quantique en dessous du mouvement du point zéro de l'oscillateur, l'atteinte de l'état fondamental quantique réel reste notre prochain objectif », dit-il.
« Pour ce faire, nous devrons renforcer davantage l'interaction optique, en utilisant une cavité optique qui amplifie les signaux angulaires, ou les stratégies de piégeage optique. Ces améliorations pourraient ouvrir la porte aux expériences où deux de ces oscillateurs interagissent uniquement par la gravité, ce qui nous permet de tester directement si la gravité est quantité ou non. »
Les autres auteurs du document du Département de génie mécanique comprennent Vivishek Sudhir, professeur adjoint de génie mécanique et professeur de développement de carrière en 1957, et doctorat. candidat Dylan Fife. Les auteurs supplémentaires sont Tina Heyward et Rajesh Menon du Département de génie électrique et informatique de l'Université de l'Utah. Shin et Fife sont tous deux membres du laboratoire de Sudhir, le groupe de mesures quantiques et de précision.
Shin dit qu'une chose qu'il apprécie à travers ce travail est l'étendue du défi à laquelle l'équipe relève. « L'étude des aspects quantiques de la gravité expérimentalement ne nécessite pas seulement une compréhension approfondie de la physique – la relativité, la mécanique quantique – mais exige également une expertise pratique dans la conception du système, la nanofabrication, l'optique, le contrôle et l'électronique », dit-il.
« Le fait d'avoir une formation en génie mécanique, qui couvre à la fois les aspects théoriques et pratiques des systèmes physiques, m'a donné la bonne perspective pour naviguer et contribuer de manière significative à travers ces divers domaines », explique Shin. « Il a été incroyablement gratifiant de voir comment cette formation large peut aider à aborder l'une des questions les plus fondamentales de la science. »
