Un objet à échelle humaine observé dans son état quantique le plus stable pour la première fois

Des chercheurs américains ont réussi à refroidir suffisamment un ensemble de quatre miroirs utilisés par l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO pour qu’ils se rapprochent de leur état énergétique minimal.

Une avancée significative

À l’échelle quantique, la température et le mouvement sont indissociables : plus une particule vibre, plus elle est chaude. Ces paquets de vibrations, également connus sous le nom de phonons, doivent être éliminés pour amener un objet à son état fondamental, une fraction seulement au-dessus du zéro absolu. Jusqu’à présent, une telle opération n’a pu être réalisée qu’avec des éléments d’une masse infime (quelques picogrammes).

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Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Science, Chris Whittle et ses collègues du MIT sont parvenus à refroidir un oscillateur mécanique composé de quatre miroirs (pesant l’équivalent de 10 kilogrammes et contenant un octillion d’atomes) de la température ambiante à 77 nanokelvins. Une réalisation marquant un énorme progrès concernant la masse d’un système pouvant être amené à son état énergétique minimal.

Pour parvenir à un tel résultat, l’équipe a utilisé l’un des nombreux systèmes de rétroaction de l’observatoire LIGO (qui vise à détecter les ondulations de l’espace-temps), dans lequel un faisceau de lumière est projeté sur un miroir pour mesurer sa vibration, puis un champ électromagnétique appliqué afin de la ralentir. Les chercheurs comparant cette seconde étape au fait d’appliquer une force opposée au mouvement d’une balançoire pour la stopper.

Les vibrations que les chercheurs souhaitaient supprimer se révélant infimes, ceux-ci ont dû les mesurer avec une extrême précision afin d’appliquer la poussée contraire adéquate. C’est pourquoi ils se sont tournés vers le système extraordinairement précis de LIGO. En utilisant cette boucle, l’équipe est parvenue à faire passer le nombre moyen de phonons d’environ dix mille milliards à un peu moins de 11.

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D’importantes implications

Le principal objectif de ces travaux est de mieux comprendre pourquoi nous ne voyons généralement pas d’objets macroscopiques dans des états quantiques. Ce qui, selon certains physiciens, pourrait être dû aux effets de la gravité.

« Si vous voulez tester cela, vous avez besoin de deux choses : un objet suffisamment grand pour que l’effet de la gravité puisse être mesuré, qui devra être placé dans un état quantique », explique Vivishek Sudhir, co-auteur de l’étude. « À terme, l’utilisation de ce type d’états quantiques pourrait également permettre d’améliorer la précision des instruments scientifiques tels que LIGO. »