Les physiciens du MIT ont développé une technique permettant de disposer les atomes (représentés par des sphères avec des flèches) à une proximité beaucoup plus rapprochée qu'auparavant, jusqu'à 50 nanomètres. Le groupe prévoit d’utiliser cette méthode pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique – un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique. Sur cette image, l’interaction magnétique est représentée par les lignes colorées. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs ; Actualités du MIT
La technique ouvre des possibilités d’exploration d’états exotiques de la matière et de construction de nouveaux matériaux quantiques.
La proximité est essentielle pour de nombreux phénomènes quantiques, car les interactions entre atomes sont plus fortes lorsque les particules sont proches. Dans de nombreux simulateurs quantiques, les scientifiques disposent les atomes aussi près que possible les uns des autres pour explorer des états exotiques de la matière et construire de nouveaux matériaux quantiques.
Percée dans la disposition des atomes
Pour ce faire, ils refroidissent généralement les atomes jusqu’à l’arrêt, puis utilisent la lumière laser pour positionner les particules à une distance aussi proche que 500 nanomètres – une limite fixée par la longueur d’onde de la lumière. Maintenant, MIT Les physiciens ont développé une technique qui leur permet de disposer les atomes beaucoup plus près les uns des autres, jusqu'à seulement 50 nanomètres. Pour rappel, un globule rouge mesure environ 1 000 nanomètres de large.
Les physiciens ont démontré la nouvelle approche dans des expériences avec le dysprosium, qui est le matériau le plus magnétique. atome dans la nature. Ils ont utilisé la nouvelle approche pour manipuler deux couches d’atomes de dysprosium et ont positionné les couches à 50 nanomètres l’une de l’autre. À cette extrême proximité, les interactions magnétiques étaient 1 000 fois plus fortes que si les couches étaient séparées de 500 nanomètres.
Des lasers de différentes couleurs sont utilisés pour refroidir et capturer les atomes de dysprosium. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Effets magnétiques améliorés
De plus, les scientifiques ont pu mesurer deux nouveaux effets provoqués par la proximité des atomes. Leurs forces magnétiques accrues provoquaient une « thermalisation », ou transfert de chaleur d’une couche à une autre, ainsi que des oscillations synchronisées entre les couches. Ces effets s’estompent à mesure que les couches s’éloignent les unes des autres.
« Nous sommes passés du positionnement des atomes de 500 nanomètres à 50 nanomètres les uns des autres, et vous pouvez faire beaucoup de choses avec cela », déclare Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. MacArthur au MIT. « À 50 nanomètres, le comportement des atomes est tellement différent que nous entrons ici réellement dans un nouveau régime. »
Ketterle et ses collègues affirment que la nouvelle approche peut être appliquée à de nombreux autres atomes pour étudier les phénomènes quantiques. Pour sa part, le groupe prévoit d’utiliser cette technique pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique – un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique.
L'équipe a publié ses résultats le 2 mai dans la revue Science. Les co-auteurs de l'étude comprennent l'auteur principal et étudiant diplômé en physique Li Du, ainsi que Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond et Yu-Kun Lu – tous membres du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, du Département de physique, et le Laboratoire de recherche en électronique du MIT.
Les étudiants diplômés Li Du, à gauche, et Yu-Kun Lu ajustent l'électronique de contrôle des systèmes laser. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Manipuler des atomes avec des lasers
Pour manipuler et organiser les atomes, les physiciens commencent généralement par refroidir un nuage d'atomes à des températures proches de zéro absolupuis utilisez un système de faisceaux laser pour rassembler les atomes dans un piège optique.
La lumière laser est une onde électromagnétique avec une longueur d’onde (la distance entre les maxima du champ électrique) et une fréquence spécifiques. La longueur d'onde limite le plus petit motif dans lequel la lumière peut être façonnée à généralement 500 nanomètres, ce qu'on appelle la limite de résolution optique. Étant donné que les atomes sont attirés par la lumière laser de certaines fréquences, les atomes seront positionnés aux points d’intensité laser maximale. Pour cette raison, les techniques existantes sont limitées quant à la proximité avec laquelle elles permettent de positionner les particules atomiques et ne peuvent pas être utilisées pour explorer des phénomènes qui se produisent à des distances beaucoup plus courtes.
« Les techniques conventionnelles s'arrêtent à 500 nanomètres, limitées non pas par les atomes mais par la longueur d'onde de la lumière », explique Ketterle. « Nous avons maintenant trouvé une nouvelle astuce avec la lumière qui nous permet de dépasser cette limite. »
La nouvelle approche de l'équipe, comme les techniques actuelles, commence par refroidir un nuage d'atomes – dans ce cas, à environ 1 microkelvin, juste un cheveu au-dessus du zéro absolu – à quel point les atomes s'arrêtent presque. Les physiciens peuvent ensuite utiliser des lasers pour déplacer les particules gelées dans les configurations souhaitées.
Ensuite, Du et ses collaborateurs ont travaillé avec deux faisceaux laser, chacun avec une fréquence, ou une couleur, et une polarisation circulaire, ou direction du champ électrique du laser différentes. Lorsque les deux faisceaux traversent un nuage d'atomes surfondus, les atomes peuvent orienter leur spin dans des directions opposées, en suivant la polarisation de l'une ou l'autre des deux lasers. Le résultat est que les faisceaux produisent deux groupes des mêmes atomes, mais avec des spins opposés.
Chaque faisceau laser formait une onde stationnaire, un motif périodique d'intensité de champ électrique avec une période spatiale de 500 nanomètres. En raison de leurs polarisations différentes, chaque onde stationnaire attirait et rassemblait l’un des deux groupes d’atomes, en fonction de leur spin. Les lasers pourraient être superposés et réglés de telle sorte que la distance entre leurs pics respectifs soit aussi petite que 50 nanomètres, ce qui signifie que les atomes gravitant vers les pics de chaque laser respectif seraient séparés des mêmes 50 nanomètres.
Mais pour que cela se produise, les lasers devraient être extrêmement stables et insensibles à tout bruit extérieur, comme celui des secousses ou même de la respiration lors de l'expérience. L’équipe a réalisé qu’elle pouvait stabiliser les deux lasers en les dirigeant à travers une fibre optique, qui servait à verrouiller les faisceaux lumineux les uns par rapport aux autres.
« L'idée d'envoyer les deux faisceaux à travers la fibre optique signifiait que l'ensemble de la machine pouvait trembler violemment, mais les deux faisceaux laser restaient absolument stables l'un par rapport à l'autre », explique Du.
Forces magnétiques et phénomènes quantiques
Pour tester leur nouvelle technique, l'équipe a utilisé des atomes de dysprosium, un métal de terre rare qui est l'un des éléments magnétiques les plus puissants du tableau périodique, en particulier à des températures ultra-froides. Cependant, à l’échelle des atomes, les interactions magnétiques de l’élément sont relativement faibles même à des distances de 500 nanomètres. Comme avec les aimants de réfrigérateur courants, l’attraction magnétique entre les atomes augmente avec la proximité, et les scientifiques soupçonnaient que si leur nouvelle technique pouvait espacer les atomes de dysprosium à une distance aussi proche que 50 nanomètres, ils pourraient observer l’émergence d’interactions autrement faibles entre les atomes magnétiques.
« Nous pourrions soudainement avoir des interactions magnétiques, qui étaient presque négligeables mais qui sont désormais très fortes », explique Ketterle.
L’équipe a appliqué sa technique au dysprosium, en refroidissant d’abord les atomes, puis en faisant passer deux lasers pour diviser les atomes en deux groupes de spin, ou couches. Ils ont ensuite dirigé les lasers à travers une fibre optique pour les stabiliser et ont découvert qu'en effet, les deux couches d'atomes de dysprosium gravitaient vers leurs pics laser respectifs, ce qui séparait en fait les couches d'atomes de 50 nanomètres – la distance la plus proche que tout atome ultra-froid puisse atteindre. l’expérience a pu réaliser.
À cette proximité extrêmement étroite, les interactions magnétiques naturelles des atomes étaient considérablement améliorées et 1 000 fois plus fortes que s’ils étaient distants de 500 nanomètres. L'équipe a observé que ces interactions aboutissaient à deux nouveaux phénomènes quantiques : l'oscillation collective, dans laquelle les vibrations d'une couche faisaient vibrer l'autre couche de manière synchronisée ; et la thermalisation, dans laquelle une couche transfère la chaleur à l’autre, uniquement par le biais de fluctuations magnétiques des atomes.
« Jusqu'à présent, la chaleur entre les atomes ne pouvait être échangée que lorsqu'ils se trouvaient dans le même espace physique et pouvaient entrer en collision », note Du. « Nous avons maintenant vu des couches atomiques, séparées par le vide, et qui échangent de la chaleur via des champs magnétiques fluctuants. »
Implications pour la technologie quantique
Les résultats de l’équipe introduisent une nouvelle technique qui peut être utilisée pour positionner de nombreux types d’atomes à proximité. Ils montrent également que les atomes, placés suffisamment près les uns des autres, peuvent présenter des phénomènes quantiques intéressants, qui pourraient être exploités pour construire de nouveaux matériaux quantiques et potentiellement des systèmes atomiques à commande magnétique pour les ordinateurs quantiques.
« Nous apportons réellement des méthodes de super-résolution sur le terrain, et elles deviendront un outil général pour réaliser des simulations quantiques », explique Ketterle. « Il existe de nombreuses variantes possibles sur lesquelles nous travaillons. »
Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation et le ministère de la Défense.
