Dans l’expérience de Bâle, un faisceau laser est dirigé sur une membrane (carré au milieu). Grâce à la lumière laser réfléchie, retardée par un câble à fibre optique (violet), la membrane est ensuite refroidie à moins d’un millième de degré au-dessus du zéro absolu. Crédit : Université de Bâle, Département de physique
Des chercheurs de l’Université de Bâle ont développé une nouvelle technique qui a réussi à refroidir une petite membrane à des températures proches de zéro absolu en utilisant uniquement la lumière laser. De telles membranes extrêmement refroidies pourraient, par exemple, trouver des applications dans des capteurs très sensibles.
Il y a des siècles, environ 400 ans pour être exact, le célèbre astronome allemand Johannes Kepler a imaginé la notion de voiles solaires. Il croyait que ces voiles pouvaient propulser des vaisseaux à travers le cosmos. Kepler a émis l’hypothèse que la lumière, lorsqu’elle est réfléchie par un objet, produit une force. Cette idée offrait également une explication au phénomène des queues de comètes toujours pointées du côté du soleil.
De nos jours, les scientifiques utilisent entre autres la force de la lumière pour ralentir et refroidir les atomes et autres particules. En règle générale, il faut un appareil complexe pour ce faire. Une équipe de chercheurs de l’Université de Bâle dirigée par les professeurs Philipp Treutlein et Patrick Potts a réussi à refroidir une membrane très fine jusqu’à une température proche du zéro absolu de moins 273,15 degrés. Celsius en utilisant uniquement la lumière laser. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Examen physique X.
Retour d’information sans mesure
« Ce qui rend notre méthode spéciale, c’est que nous obtenons cet effet de refroidissement sans effectuer aucune mesure », explique la physicienne Maryse Ernzer, titulaire d’un doctorat. étudiant et premier auteur du document de recherche. Selon les lois de la mécanique quantique, une mesure, comme cela est généralement requis dans une boucle de rétroaction, conduit à un changement de l’état quantique et donc à des perturbations. Pour éviter cela, les scientifiques bâlois ont développé ce qu’on appelle une boucle de rétroaction cohérente dans laquelle la lumière laser agit à la fois comme capteur et comme amortisseur. Ils ont ainsi amorti et refroidi les vibrations thermiques d’une membrane en nitrate de silicium mesurant environ un demi-millimètre.
Dans leur expérience, les chercheurs ont dirigé un faisceau laser sur la membrane et ont transmis la lumière réfléchie par la membrane à un câble à fibre optique. Au cours de ce processus, les vibrations de la membrane provoquaient de petits changements dans la phase d’oscillation de la lumière réfléchie. Les informations sur l’état de mouvement instantané de la membrane contenues dans cette phase d’oscillation ont ensuite été utilisées, avec un délai, pour appliquer la bonne quantité de force sur la membrane au bon moment avec la même lumière laser.
«C’est un peu comme ralentir une balançoire en touchant brièvement le sol avec les pieds au bon moment», explique Ernzer. Pour atteindre le retard optimal d’environ 100 nanosecondes, les chercheurs ont utilisé un câble à fibre optique de 30 mètres de long.
Proche du zéro absolu
« Le professeur Potts et ses collaborateurs ont développé une description théorique de la nouvelle technique et calculé les réglages pour lesquels nous pouvions espérer atteindre les températures les plus basses ; cela a ensuite été confirmé par l’expérience », explique le Dr Manel Bosch Aguilera, qui a contribué à l’étude en tant que postdoctorant. Lui et ses collègues ont réussi à refroidir la membrane jusqu’à 480 microkelvins, soit moins d’un millième de degré au-dessus du zéro absolu.
Dans l’étape suivante, les chercheurs souhaitent améliorer leur expérience jusqu’à ce que la membrane atteigne la température la plus basse possible, c’est-à-dire l’état fondamental de la mécanique quantique des oscillations de la membrane. Après cela, il devrait également être possible de créer des états dits comprimés de la membrane. De tels états sont particulièrement intéressants pour les capteurs de construction car ils permettent une mesure plus élevée. précision. Les applications possibles de ces capteurs incluent les microscopes à force atomique, utilisés pour numériser des surfaces avec une résolution nanométrique.
