La sphère de verre utilisée par les chercheurs (le point au centre de l’image) — © ETH Zurich

Des chercheurs suisses ont annoncé avoir piégé une minuscule sphère de verre de 100 nanomètres de diamètre à l’aide d’une lumière laser et avoir ralenti son mouvement jusqu’à l’état quantique de plus basse énergie.

Amener une microsphère à son état fondamental de mouvement

Ces dernières années, les scientifiques se sont efforcés de contraindre des objets de plus en plus grands à se comporter selon les lois de la mécanique quantique afin de les étudier de plus près. Parmi les effets les plus étranges de cette branche de la physique théorique, lorsqu’un objet (ou particule) passe à travers une double fente, il forme un motif d’interférence caractéristique d’une onde. Un phénomène connu sous le nom de dualité onde-corpuscule.

Bien que différentes équipes soient parvenues à un tel résultat avec des molécules composées de quelques milliers d’atomes, observer les effets quantiques avec des objets macroscopiques constitue un défi de taille.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, des scientifiques de l’ETH Zürich ont fait un pas de plus vers cet objectif en amenant un objet macroscopique, se trouvant être une minuscule sphère de verre contenant pas moins de 10 millions d’atomes, dans un état de la mécanique quantique. Pour ce faire, l’équipe a utilisé un faisceau laser très concentré qui a fait planer l’objet d’une centaine de nanomètres de diamètre dans un piège optique, se trouvant à l’intérieur d’un récipient sous vide refroidi à 269 degrés en dessous de zéro.

Une nanosphère est mise en lévitation par une lumière laser focalisée (A). La lumière laser agit comme un piège dans lequel la sphère peut osciller d’avant en arrière, et des champs électriques sont utilisés pour ralentir ce mouvement (B) — © ETH Zurich

« Plus la température est basse, plus le mouvement thermique de l’objet est faible », explique Felix Tebbenjohanns, auteur principal de l’étude. « Et pour pouvoir observer les effets quantiques, la nanosphère doit être ralentie jusqu’à son état fondamental de mouvement. »

Une entreprise minutieuse

À ce stade, les oscillations de la sphère et son énergie de mouvement sont réduites au point où la relation d’incertitude de la mécanique quantique empêche toute diminution supplémentaire. En d’autres termes, lorsque l’énergie de mouvement de la sphère est réduite au minimum, celle-ci est proche du mouvement du point zéro de la mécanique quantique.

Pour y parvenir, les chercheurs ont dû être extrêmement précis et superposer la lumière réfléchie par l’objet à un autre faisceau laser, ce qui a donné lieu à un motif d’interférence. À partir de la position dudit motif, l’équipe a pu déduire où se trouvait la sphère à l’intérieur du piège à laser, et cette information a été utilisée pour calculer la force à appliquer pour la ralentir.

Le ralentissement effectif a été assuré par une paire d’électrodes dont les champs électriques exerçaient une force de Coulomb précisément déterminée sur la nanosphère chargée électriquement. Selon les auteurs de l’étude, c’est la première fois qu’une telle approche est utilisée pour contrôler l’état quantique d’un objet macroscopique dans l’espace libre. Celle-ci ouvre notamment la voie au développement de capteurs à la sensibilité améliorée.

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