Refroidissement optique quantique de nanoparticules

Lorsqu’une particule est complètement isolée de son environnement, les lois de la physique quantique commencent à jouer un rôle crucial. Une exigence importante pour voir les effets quantiques est de supprimer toute l’énergie thermique du mouvement des particules, c’est-à-dire de la refroidir aussi près que possible de la température zéro absolu. Des chercheurs de l’Université de Vienne, de l’Académie autrichienne des sciences et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) se sont rapprochés de cet objectif en démontrant une nouvelle méthode de refroidissement des nanoparticules lévitées. Ils publient maintenant leurs résultats dans la célèbre revue Lettres d’examen physique.

Un champ laser étroitement focalisé emprisonne une nanoparticule entre deux miroirs hautement réfléchissants, à savoir une cavité optique. La diffusion préférentielle le long de ce résonateur optique permet d’induire un refroidissement du mouvement des nanoparticules dans les trois directions.

Les faisceaux laser étroitement focalisés peuvent agir comme des « pincettes » optiques pour piéger et manipuler des objets minuscules, des particules de verre aux cellules vivantes. Le développement de cette méthode a valu à Arthur Ashkin le prix Nobel de physique de l’an 2018. Jusqu’à présent, la plupart des expériences ont été menées dans l’air ou dans un liquide, mais l’utilisation de pinces optiques pour piéger des objets sous ultra-vide suscite un intérêt croissant : ces particules isolées présentent non seulement des performances de détection sans précédent, mais peuvent également être utilisées pour étudier les données fondamentales.

Un élément clé de ces efforts de recherche consiste à obtenir le contrôle total du mouvement des particules, idéalement dans un régime où les lois de la physique quantique dominent son comportement. Les tentatives précédentes pour y parvenir ont soit modulé la pince optique elle-même, soit plongé la particule dans des champs lumineux supplémentaires entre des configurations de miroir hautement réfléchissantes, c’est-à-dire des cavités optiques.

Cependant, le bruit laser et les grandes intensités laser requises ont limité considérablement ces méthodes. « Notre nouveau système de refroidissement est directement emprunté à la communauté de la physique atomique, où des défis similaires existent pour le contrôle quantique », a déclaré Uros Delic, auteur principal de la récente étude publiée dans Lettres d’examen physique par des chercheurs de l’Université de Vienne, de l’Académie autrichienne des sciences et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), dirigés par Markus Aspelmeyer. L’idée remonte aux premiers travaux du physicien d’Innsbruck Helmut Ritsch et des physiciens américains Vladan Vuletic et Steve Chu, qui ont compris qu’il suffisait d’utiliser la lumière diffusée directement par la pince optique même si la particule était maintenue à l’intérieur d’une vide cavité optique.

Une nanoparticule dans une pince optique disperse une infime partie de la lumière de la pince dans presque toutes les directions. Si la particule est positionnée à l’intérieur d’une cavité optique, une partie de la lumière diffusée peut être stockée entre ses miroirs. En conséquence, les photons sont préférentiellement diffusés dans la cavité optique. Cependant, cela n’est possible que pour la lumière de couleurs spécifiques, ou autrement dit pour les énergies de photons spécifiques.

Si on utilise une lumière de pince d’une couleur qui correspond à une énergie photonique légèrement inférieure à celle requise, les nanoparticules « sacrifieront » une partie de leur énergie cinétique pour permettre la diffusion des photons dans la cavité optique. Cette perte d’énergie cinétique refroidit efficacement son mouvement. La méthode a déjà été démontrée pour les atomes par Vladan Vuletic, coauteur de ce travail. C’est cependant la première fois qu’il est appliqué aux nanoparticules et utilisé pour refroidir dans les trois directions du mouvement.

« Notre méthode de refroidissement est beaucoup plus puissante que toutes les méthodes précédemment démontrées. Sans les contraintes imposées par le bruit laser et le pouvoir quantique de la puissance laser des nanoparticules lévitées, le changement est imminent », déclare M. Delic.

La recherche ouvre la voie à la nouvelle génération de pincettes optiques.

yogaesoteric
29 juin 2019

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