Le mouvement quantique d’une nanoparticule peut être étendu au-delà de la taille de la particule en utilisant la nouvelle technique développée par. physiciens en Autriche. Crédit : Marc Montagut
Très récemment, des chercheurs dirigés par Markus Aspelmeyer à l’Université de Vienne et Lukas Novotny à l’ETH Zurich ont refroidi pour la première fois une nanoparticule de verre dans le régime quantique.
Pour ce faire, la particule est privée de son énergie cinétique à l’aide de lasers. Restent les mouvements, dits fluctuations quantiques, qui ne suivent plus les lois de la physique classique mais celles de la physique quantique. La sphère de verre avec laquelle cela a été réalisé est nettement plus petite qu’un grain de sable, mais se compose toujours de plusieurs centaines de millions d’atomes. Contrairement au monde microscopique des photons et des atomes, les nanoparticules donnent un aperçu de la nature quantique des objets macroscopiques.
En collaboration avec le physicien expérimental Markus Aspelmeyer, une équipe de physiciens théoriciens dirigée par Oriol Romero-Isart de l’Université d’Innsbruck et l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences propose maintenant un moyen d’exploiter les propriétés quantiques de nanoparticules pour diverses applications.
Brièvement délocalisé
« Alors que les atomes dans l’état fondamental en mouvement rebondissent sur des distances supérieures à la taille de la atome, le mouvement des objets macroscopiques dans l’état fondamental est très, très petit », expliquent Talitha Weiss et Marc Roda-Llordes de l’équipe d’Innsbruck. “Les fluctuations quantiques des nanoparticules sont plus petites que le diamètre d’un atome.”
Pour tirer parti de la nature quantique des nanoparticules, la fonction d’onde des particules doit être considérablement élargie. Dans le schéma des physiciens quantiques d’Innsbruck, les nanoparticules sont piégées dans des champs optiques et refroidies à l’état fondamental. En changeant rythmiquement ces champs, les particules réussissent maintenant à se délocaliser brièvement sur des distances exponentiellement plus grandes.
“Même les plus petites perturbations peuvent détruire la cohérence des particules, c’est pourquoi en changeant les potentiels optiques, nous ne décomposons que brièvement la fonction d’onde des particules, puis la compressons à nouveau immédiatement”, explique Oriol Romero-Isart. En changeant à plusieurs reprises le potentiel, les propriétés quantiques de la nanoparticule peuvent ainsi être exploitées.
De nombreuses applications
Avec la nouvelle technique, les propriétés quantiques macroscopiques peuvent être étudiées plus en détail. Il s’avère également que cet état est très sensible aux forces statiques. Ainsi, la méthode pourrait permettre à des instruments très sensibles d’être utilisés pour déterminer très précisément des forces telles que la gravité. En utilisant deux particules expansées et compressées simultanément par cette méthode, il serait également possible de les enchevêtrer via une interaction faible et d’explorer des domaines entièrement nouveaux du monde quantique macroscopique.
Avec d’autres propositions, le nouveau concept constitue la base du projet ERC Synergy Grant Q-Xtreme, qui a été accordé l’année dernière. Dans ce projet, les groupes de recherche de Markus Aspelmeyer et Oriol Romero-Isart, ainsi que Lukas Novotny et Romain Quidant de l’ETH Zurich, poussent à l’extrême l’un des principes les plus fondamentaux de la physique quantique en positionnant un corps solide de milliards de atomes à deux endroits en même temps.
Référence : « Large Quantum Delocalisation of a Levitated Nanoparticle Using Optimal Control: Applications for Force Sensing and Entangling via Weak Forces » par T. Weiss, M. Roda-Llordes, E. Torrontegui, M. Aspelmeyer et O. Romero-Isart, 7 juillet 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.023601
