Une équipe de chercheurs de l'Université Tu Dortmund, de l'Université de Padersborn et de l'Université de Nottingham a développé une nouvelle méthode optique pour détecter le mouvement atomique ultra-weak. Leur expérience réalisée dans Dortmund a démontré une sensibilité sans précédent de la détection du mouvement atomique dans les cristaux en exploitant l'interférence de la lumière.
Les résultats, récemment publiés dans Matériaux de la natureouvrir de nouvelles façons pour étudier les processus ultrarapides dans les matériaux.
Les mesures optiques précises reposent sur des interféromètres, où le faisceau sondant une distance d'intérêt interfère avec un faisceau de référence parcourant un chemin fixe. Cela permet d'évaluer la différence de longueur de chemin des deux faisceaux avec une haute précision. Un exemple frappant est les interféromètres gravitationnels, qui détectent des ondes gravitationnelles induites par un événement lointain dans l'univers, comme la collision de trous noirs.
Pour atteindre la sensibilité souhaitée, l'interféromètre LIGO a une longueur géométrique de 4 kilomètres, ce qui est augmenté à 1 120 kilomètres efficace en passant les faisceaux à travers l'interféromètre plusieurs fois. Cela permet des mesures des changements relatifs des longueurs du bras interféromé à l'ordre de 10⁻²², correspondant à environ 10⁻¹⁸ mètres.
C'est une différence extrêmement petite de longueur, environ un millième du rayon de protons. Cela nécessite également un faisceau laser de 200 watts de puissance, amplifié à 700 kilowatts dans le résonateur formé par l'interféromètre.
L'équipe internationale de chercheurs a maintenant réussi à des mesures interférométriques du déplacement atomique de la magnitude absolue comparable, en utilisant un super-lattice soi-disant semi-conducteur – une structure périodique des couches de semi-conducteur nanométriques fabriquées à l'Université de Paderborn – en tant qu'interféromètre.
La différence décisive est que la taille effective d'un tel interféromètre n'est que de l'ordre de 1 micromètre, et donc 1 milliard de fois plus petit que les interféromètres gravitationnels. De plus, la puissance laser moyenne utilisée est également 1 milliard de fois plus petite, de l'ordre de seulement 1 micro-misne.
Dans l'expérience de validation, la détection interférométrique a également été utilisée pour observer un événement éloigné. Une impulsion laser à 100-femtosecondes – qui est de 10⁻¹³ secondes – a chassé un film métallique déposé sur une plaque cristalline, provoquant une augmentation de la température de 0,1 ° et une expansion thermique du film de moins de 100 atomètres, soit 10⁻¹⁶ mètres.
« L'onde acoustique générée par cette expansion thermique ultra-rapide et minuscule, qui n'a pu être détectée par aucune technique expérimentale précédemment connue, a été détectée en toute confiance dans le côté opposé de l'assiette en atteignant le groupe de travail du SuperLatttice », Marek Karzel de l'expérience clé.
Son collègue, le Dr Anton Samusev, souligne la différence avec l'expérience LIGO: « Contrairement à l'interféromètre LIGO, la méthode développée ne détecte pas les événements individuels mais nécessite plusieurs mesures pour obtenir un rapport signal / bruit suffisant.
« Cependant, cette exigence est gérable dans un laboratoire expérimental où les mesures peuvent être répétées des millions de fois par seconde, par opposition aux événements astronomiques où la collision de deux trous noirs ne se produit qu'une seule fois. »
Cette recherche ouvre d'énormes possibilités d'études matérielles ainsi que de métrologie quantique impliquant une quanta unique de vibrations de réseau cristallin, appelées phonons.
