Trois sphères nano-verre s'accrochent les unes aux autres. Ils forment un cluster en forme de tour, similaire à celle lorsque vous empilez trois boules de crème glacée les unes sur les autres, seule beaucoup plus petite. Le diamètre du cluster Nano est dix fois plus petit que celui d'un cheveux humains.
Avec l'aide d'un dispositif optique et de faisceaux laser, les chercheurs de Eth Zurich ont réussi à garder ces objets presque complètement immobiles en lévitation. Ceci est significatif en ce qui concerne le développement futur de capteurs quantiques, qui, avec les ordinateurs quantiques, constituent les applications les plus prometteuses de la recherche quantique.
Le travail de l'équipe apparaît dans Physique de la nature.
Dans le cadre de leur expérience de lévitation, les chercheurs, dirigés par le professeur adjoint de photonique Martin Frimer, ont pu éliminer la force gravitationnelle agissant sur les sphères de verre. Cependant, l'objet Nano allongé a toujours tremblé, similaire à la façon dont l'aiguille sur une boussole se déplace lorsqu'il se installe en position. Dans le cas de l'amas de nano, le mouvement tremblant était très rapide mais faible: l'objet a fait environ un million de déviations par seconde, chacune ne mesurant que quelques millièmes de degré. Cette minuscule oscillation rotationnelle est un mouvement quantique fondamental présenté par tous les objets, que les physiciens appellent une fluctuation du point zéro.
« Selon les principes de la mécanique quantique, aucun objet ne peut jamais rester parfaitement immobile », explique Lorenzo Dania, un post-doctorant dans le groupe de Frimers et premier auteur de l'étude. « Plus un objet est grand, plus ces fluctuations de points zéro sont petites et plus il est difficile de les observer. »
Enregistrements multiples
À ce jour, personne n'a réussi à détecter ces minuscules mouvements pour un objet de cette taille aussi précisément que les chercheurs de l'ETH. Ils l'ont atteint parce qu'ils ont pu éliminer largement tous les mouvements qui proviennent du domaine de la physique classique et obscurcir l'observation des mouvements quantiques. Les chercheurs de l'ETH attribuent 92% des mouvements du cluster dans leur expérience à la physique quantique et à 8% à la physique classique; Ils se réfèrent donc à un niveau élevé de pureté quantique.
« Au préalable, nous ne nous attendions pas à atteindre un niveau aussi élevé de pureté quantique », explique Dania.
Et les dossiers ne s'arrêtent pas là: les chercheurs ont accompli tout cela à température ambiante. Les chercheurs quantiques doivent généralement refroidir leurs objets à une température proche du zéro absolu (-273 degrés Celsius) en utilisant un équipement spécial. Cela n'était pas nécessaire ici.
Frimers tire une analogie: « C'est comme si nous avions construit un nouveau véhicule qui transporte plus de marchandises que les camions traditionnels et consomme en même temps moins de carburant. »
Minuscule et énorme en même temps
Alors que de nombreux chercheurs étudient les effets quantiques dans des groupes individuels ou de petits atomes, Frimer et son groupe font partie de ceux qui travaillent avec des objets relativement grands. Leur groupe de nanosphères peut être minuscule dans les termes de tous les jours, mais il se compose de plusieurs centaines de millions d'atomes, ce qui le rend énorme du point de vue d'un physicien quantique. L'intérêt pour les objets de cette taille est en partie motivé par les espoirs pour de futures applications de technologie quantique, par exemple. Ces applications nécessitent que les plus grands systèmes soient contrôlés en utilisant les principes de la mécanique quantique.
Les chercheurs ont pu léviter leurs nanoparticules en utilisant ce que l'on appelle une pince à pince optique. Dans ce processus, la particule est placée dans le vide dans un récipient transparent. Une lentille est utilisée pour concentrer la lumière laser polarisée à un point à l'intérieur de ce conteneur. À ce point focal, la particule s'aligne sur le champ électrique du laser polarisé et reste donc stable.
'Un début parfait'
« Ce que nous avons réalisé, c'est un début parfait pour des recherches supplémentaires pour lesquelles un jour pourrait alimenter les applications », explique Frimers.
Pour de telles applications, vous avez d'abord besoin d'un système avec une pureté quantique élevée dans laquelle toutes les interférences externes peuvent être supprimées avec succès et des mouvements contrôlés de la manière souhaitée, déclare-t-il, ajoutant que cela a maintenant été réalisé. Il serait alors possible de détecter les effets mécaniques quantiques, de les mesurer et d'utiliser le système pour des applications technologiques quantiques.
Les applications possibles incluent la recherche fondamentale en physique pour concevoir des expériences pour étudier la relation entre la gravité et la mécanique quantique. Le développement de capteurs pour mesurer de minuscules forces telles que celles des molécules de gaz ou même des particules élémentaires qui agissent sur le capteur est également concevable. Ce serait utile dans la recherche de matière noire.
« Nous avons maintenant un système relativement simple, rentable et bien adapté à cette fin », explique Frimers.
Applications de navigation et de médecine
Dans un avenir lointain, les capteurs quantiques pourraient également être utilisés dans l'imagerie médicale. On espère qu'ils pourront détecter des signaux faibles dans les environnements où la mesure des appareils ramasse principalement le bruit de fond. Une autre application potentielle pourrait être des capteurs de mouvement qui pourraient faciliter la navigation sur les véhicules même lorsqu'il n'y a pas de contact avec un satellite GPS.
Pour la majorité de ces applications, le système quantique devrait être miniaturisé. Selon les chercheurs de l'ETH, cela est possible en principe. Dans tous les cas, ils ont trouvé un moyen d'atteindre l'état quantique contrôlable souhaité sans refroidissement long, coûteux et à forte intensité énergétique.
