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Une expérience vraiment magique fait léviter une nanoparticule et s’approche de son état quantique fondamental

Au cours des dernières décennies, les oscillateurs nanomécaniques quantiques, versions nanométriques d’une corde de guitare, ont repoussé les frontières de l’expérimentation quantique. Aujourd’hui, la possibilité de faire léviter une nanoparticule grâce à de minuscules forces photoniques apporte un nouvel éclairage sur le monde quantique.

Recherche fondamentale
Santé

Tout au long de l’histoire, des oscillateurs mécaniques ont été utilisés pour effectuer des mesures très précises. Certains des changements les plus importants dans la précision des horloges et des montres reposent sur la mécanique classique relativement simple des pendules et des ressorts, dont une extrémité est fixée à un objet immobile et l’autre à un objet mobile. Aujourd’hui, grâce à un financement de l’UE via une subvention du Conseil européen de la recherche (CER), le projet QnanoMECA a libéré la puissance des oscillateurs nanomécaniques quantiques pour étudier le monde quantique complexe avec un objet mobile non attaché: une nanoparticule. En la faisant léviter à l’aide de la force de la lumière, l’équipe a ouvert une nouvelle fenêtre sur la détection de forces ultra petites et l’introduction de grands objets (en termes quantiques) dans le régime quantique.

Les nanoparticules sous le feu des projecteurs (laser)

Comme l’explique Romain Quidant, bénéficiaire de la subvention du CER et chercheur principal (PI): «Les nanoparticules peuvent être mises en lévitation et piégées grâce aux minuscules forces que chaque photon d’un faisceau laser exerce sur la matière sur son chemin. Ce piège optique, connu sous le nom de pince optique, est à l’origine de l’attribution du prix Nobel de physique 2018 à Arthur Ashkin.» L’un des principaux avantages d’un oscillateur mécanique non serré, la pince optique, est son isolement extrême par rapport à l’environnement. Cela permet une résonance mécanique à des fréquences très bien définies, comme des notes très pures sur une corde de guitare. À son tour, cette pureté unique de la résonance ouvre la porte à la possibilité d’amener la nanoparticule dans le régime quantique en réduisant son énergie mécanique («refroidissement» de l’oscillateur) à moins d’un quanta mécanique (l’état quantique fondamental). Cette résonance d’une pureté sans précédent transforme également la nanoparticule oscillante en un capteur très sensible de son environnement. «Nous savons que les blocs élémentaires de la matière comme les atomes et les ions sont quantiques et obéissent donc aux lois de la mécanique quantique», note Romain Quidant. «Les choses sont moins claires pour les grands ensembles denses d’atomes comme la nanoparticule en lévitation. Notre plateforme nous permet d’explorer ce régime inconnu, en observant de très faibles effets physiques qui étaient impossibles à mesurer directement auparavant.»

Exploiter le potentiel disproportionné de la lévitation de minuscules objets

Au cours des cinq dernières années, QnanoMECA a mis au point différentes approches expérimentales pour faire léviter et refroidir des nanoparticules afin de les amener dans le régime quantique. Dans le cadre de ces travaux pionniers menés en collaboration avec Lukas Novotny, bénéficiaire d’une subvention du CER dans le cadre du projet QMES, l’équipe a réduit l’énergie mécanique de l’oscillateur de 50 millions de phonons à quelques dizaines, et prévoit d’atteindre le régime quantique à un seul photon avant la fin du projet en 2020. En outre, les recherches de QnanoMECA ont permis d’importantes avancées scientifiques et technologiques dans le domaine de la détection de forces ultra-faibles, qui pourraient contribuer, dans les années à venir, à une nouvelle génération de capteurs mécaniques haut de gamme pour la navigation et la sismologie. L’optomécanique de lévitation est un domaine relativement nouveau mais en pleine expansion, qui compte aujourd’hui plus de 30 groupes dans le monde. Selon Romain Quidant, «le projet nous a positionnés parmi les leaders mondiaux de l’optomécanique de lévitation. Il y a encore beaucoup de questions sans réponses et de théories non testées. Nous sommes très enthousiastes à l’idée que nos travaux se tournent vers certaines de ces frontières théoriques.»

Mots‑clés

QnanoMECA, quantum, nanoparticule, photon, lumière, lévitation, oscillateur, nanomécanique, résonateur, laser, pinces optiques, énergie mécanique, phonon, piège optique, faible force, lévitation optomécanique, silice

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