Illustration d’un système qui produit le premier réseau optique avec son. La lumière est pompée à travers trois sources – y compris via un dispositif à miroir numérique (DMD) – et produit un supersolide d’atomes (en orange) qui peut vibrer. Crédit : Lev Lab
Dans le but d’émuler les caractéristiques quantiques des matériaux de manière plus réaliste, les chercheurs ont trouvé un moyen de créer un réseau de lumière et d’atomes qui peuvent vibrer – apportant le son à une expérience autrement silencieuse.
Lorsque le son a été incorporé pour la première fois dans les films dans les années 1920, il a ouvert de nouvelles possibilités aux cinéastes, telles que la musique et le dialogue parlé. Les physiciens sont peut-être au bord d’une révolution similaire, grâce à un nouvel appareil développé à l’Université de Stanford qui promet d’apporter une dimension audio à des expériences scientifiques quantiques auparavant silencieuses.
En particulier, cela pourrait apporter du son à une configuration scientifique quantique commune connue sous le nom de réseau optique, qui utilise un maillage entrecroisé de faisceaux laser pour organiser les atomes de manière ordonnée ressemblant à un cristal. Cet outil est couramment utilisé pour étudier les caractéristiques fondamentales des solides et d’autres phases de la matière qui ont des géométries répétitives. Un inconvénient de ces treillis, cependant, est qu’ils sont silencieux.
“Sans son ni vibration, nous manquons un degré de liberté crucial qui existe dans les matériaux réels”, a déclaré Benjamin Lev, professeur agrégé de physique appliquée et de physique, qui s’est penché sur cette question lors de son arrivée à Stanford en 2011. « C’est comme faire de la soupe et oublier le sel ; cela enlève vraiment la saveur de la « soupe » quantique.
Une vue de la cavité à l’intérieur d’une chambre à vide, où les deux miroirs ultra-réfléchissants sont visibles en haut et en bas. Crédit : Lev Lab
Après une décennie d’ingénierie et d’analyse comparative, Lev et ses collaborateurs de l’Université d’État de Pennsylvanie et de l’Université de St. Andrews ont produit le premier réseau optique d’atomes qui incorpore le son. La recherche a été publiée le 10 novembre 2021 dans La nature. En concevant une cavité très précise qui retenait le réseau entre deux miroirs hautement réfléchissants, les chercheurs ont fait en sorte que les atomes puissent se «voir» répétés des milliers de fois via des particules de lumière, ou photons, qui rebondissent entre les miroirs. Cette rétroaction fait que les photons se comportent comme phonons – les éléments constitutifs du son.
“S’il était possible de mettre votre oreille sur le réseau optique des atomes, vous entendriez leur vibration à environ 1 kHz”, a déclaré Lev.
Un super solide avec du son
Les expériences précédentes sur les réseaux optiques étaient des affaires silencieuses parce qu’elles n’avaient pas l’élasticité particulière de ce nouveau système. Lev, le jeune étudiant diplômé Sarang Gopalakrishnan – maintenant professeur adjoint de physique à Penn State et co-auteur de l’article – et Paul Goldbart (maintenant recteur de l’Université Stony Brook) ont proposé la théorie fondamentale de ce système. Mais il a fallu une collaboration avec Jonathan Keeling – lecteur à l’Université de St. Andrews et co-auteur de l’article – et des années de travail pour construire l’appareil correspondant.
Pour créer cette configuration, les chercheurs ont rempli une cavité miroir vide avec un gaz quantique ultrafroid de rubidium. En soi, c’est un superfluide, c’est-à-dire une phase de la matière dans laquelle les atomes peuvent s’écouler en tourbillons sans résistance. Lorsqu’il est exposé à la lumière, le rubidium superfluide se réarrange spontanément en un supersolide – une phase rare de la matière qui montre à la fois l’ordre observé dans les cristaux et l’extraordinaire fluidité des superfluides.
Ce qui a amené le son dans la cavité, ce sont deux miroirs concaves soigneusement espacés qui sont si réfléchissants qu’il y a une fraction de 1% de chance qu’un seul photon les traverse. Cette réflectivité et la géométrie spécifique de l’installation – le rayon des miroirs incurvés est égal à la distance entre eux – font que les photons pompés dans la cavité passent plus de 10 000 fois par les atomes. Ce faisant, les photons forment une liaison étroite spéciale avec les atomes, les forçant à s’organiser en réseau.
“La cavité que nous utilisons offre beaucoup plus de flexibilité en termes de forme de la lumière qui rebondit entre les miroirs”, a déclaré Lev. “C’est comme si, au lieu de simplement être autorisé à faire une seule vague dans un creux d’eau, vous pouviez maintenant vous éclabousser pour créer n’importe quel type de vague.”
Cette cavité spéciale a permis au réseau d’atomes superfluides (le supersolide) de se déplacer de sorte que, contrairement à d’autres réseaux optiques, il est libre de se déformer lorsqu’il est poussé – et cela crée des ondes sonores. Pour initier ce lancement de phonons à travers le réseau flexible, les chercheurs l’ont poussé à l’aide d’un instrument appelé modulateur spatial de lumière, qui leur permet de programmer différents modèles de lumière qu’ils injectent dans la cavité.
Les chercheurs ont évalué comment cela affectait le contenu de la cavité en capturant un hologramme de la lumière qui en sortait. L’hologramme enregistre à la fois l’amplitude et la phase de l’onde lumineuse, permettant d’imager les phonons. En plus de médiatiser une physique intéressante, la courbure élevée des miroirs à l’intérieur de l’appareil produit une image haute résolution, comme un microscope, ce qui a conduit les chercheurs à nommer leur création un «microscope à gaz quantique actif».
L’étudiant diplômé et auteur principal Yudan Guo, qui a reçu une bourse Q-FARM pour soutenir ce travail, a dirigé les efforts pour confirmer la présence de phonons dans l’appareil, ce qui a été fait en envoyant différents modèles de lumière, en mesurant ce qui est sorti et en comparant cela à une courbe de dispersion de Goldstone. Cette courbe montre comment l’énergie, y compris le son, devrait se déplacer à travers les cristaux ; le fait que leurs découvertes concordent avec cela a confirmé à la fois l’existence de phonons et l’état supersolide vibrant.
Deux d’une sorte
Il y a de nombreuses directions que Lev espère que son laboratoire – et peut-être d’autres – prendront cette invention, y compris l’étude de la physique des supraconducteurs exotiques et la création de quantum les réseaux de neurones – c’est pourquoi l’équipe travaille déjà à la création d’une deuxième version de leur appareil.
“Ouvrez un manuel canonique de physique des solides, et vous verrez qu’une grande partie a à voir avec les phonons”, a déclaré Lev. “Et, jusqu’à présent, nous ne pouvions rien étudier de construit là-dessus avec des simulateurs quantiques utilisant des atomes et des photons, car nous ne pouvions pas émuler cette forme basique de son.”
Référence : « An Optical Lattice with Sound » de Yudan Guo, Ronen M. Kroeze, Brendan P. Marsh, Sarang Gopalakrishnan, Jonathan Keeling et Benjamin L. Lev, 10 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-021-03945-x
Les étudiants diplômés de Stanford, Ronen Kroeze et Brendan Marsh, sont également co-auteurs de cette recherche. Lev est également membre du Ginzton Lab et de Stanford Bio-X. Cette recherche a été financée par le Army Research Office, une bourse d’études supérieures Q-FARM et la National Science Foundation.
