Les nanoparticules “en lévitation” pourraient repousser les limites de l’intrication quantique

Des particules de verre en suspension dans des faisceaux laser peuvent être amenées à interagir (vue d’artiste).Crédit : Equinox Graphics Ltd.

Les physiciens ont suspendu de minuscules sphères de verre dans le vide et les ont fait interagir les unes avec les autres à courte distance. Les nanoparticules « en lévitation » ont maintenant été manipulées avec suffisamment de précision pour ouvrir de nouvelles voies pour sonder l’énigmatique zone crépusculaire entre le monde quotidien et la physique quantique contre-intuitive qui régit les objets à l’échelle atomique.

“Il s’agit certainement d’une étape importante qui ouvre de nouvelles opportunités”, déclare Romain Quidant, un physicien qui mène des expériences similaires à l’Ecole polytechnique fédérale (ETH) de Zurich. Les résultats ont été publiés le 25 août dans La science1. Les particules en lévitation pourraient un jour servir de plate-forme pour l’informatique quantique ou ouvrir la voie à des appareils de mesure extrêmement sensibles.

Lévitation laser

Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont maîtrisé diverses techniques pour manipuler des objets de la taille de particules virales – quelques centaines de nanomètres de diamètre – dans le vide, en utilisant notamment la légère pression exercée par la lumière laser.

En 2020, Uroš Delić de l’Université de Vienne et ses collaborateurs ont stupéfié la communauté des physiciens en ralentissant les centres de masse des particules à ce que les physiciens appellent l’état fondamental quantique, comme si les particules étaient aussi froides que possible.2. Atteindre l’état fondamental est la première étape vers l’accès et la manipulation du comportement quantique, qui n’est normalement obtenu qu’à des échelles subatomiques, et nécessite que les objets soient refroidis à un niveau proche du zéro absolu. Bien que leurs centres de masse soient à l’état fondamental, les particules ont continué à être autrement chaudes, vibrant thermiquement et tournant sur elles-mêmes.

La physicienne Lia Li se souvient de l’excitation de la communauté lorsque le physicien de l’Université de Vienne Markus Aspelmeyer, l’auteur principal de cet article, a rapporté l’état fondamental quantique lors d’une conférence, puis a publié une préimpression sur le serveur arXiv. “Les gens étaient frénétiques”, explique Li, qui est directeur général de la société d’ingénierie Zero Point Motion à Bristol, au Royaume-Uni. Une poignée de laboratoires se sont précipités pour reproduire les résultats – et certains ont réussi.

Certains physiciens, dont Giorgio Gratta de l’Université de Stanford en Californie, travaillent avec des particules légèrement plus grosses – un micromètre de diamètre ou plus – qui ont une masse suffisante pour exercer une attraction gravitationnelle appréciable. “L’idée principale est de rechercher de nouvelles interactions à l’échelle microscopique, ou des écarts par rapport à la gravité newtonienne”, dit-il.

Deux par deux

Dans le dernier article, Delić, Aspelmeyer et leurs collaborateurs ont fait le premier pas vers la jonglerie de plusieurs particules en lévitation. Ils ont fait rebondir un laser sur un panneau à cristaux liquides à l’intérieur d’une chambre à vide, qui a divisé le faisceau en deux. Ensuite, ils ont injecté des sphères de verre de 200 nanomètres de large dans la chambre à l’aide d’un nébuliseur à ultrasons, similaire aux dispositifs utilisés pour traiter l’asthme, jusqu’à ce qu’une nanosphère soit capturée au point focal de chacun des deux faisceaux laser.

Cette technique de «lévitation optique» fonctionne parce que les oscillations rapides des champs électriques du laser induisent l’apparition de charges électriques tout aussi rapidement aux extrémités opposées de chaque nanosphère, comme les pôles d’un barreau magnétique. Cette polarisation crée une force qui pousse les particules vers les régions où la lumière est la plus intense — dans ce cas, vers le point focal du faisceau laser.

Comme la polarisation oscille rapidement d’avant en arrière, elle agit comme le courant électrique à l’intérieur d’une antenne qui émet des ondes électromagnétiques, explique le co-auteur Benjamin Stickler, physicien théoricien à l’Université de Duisburg-Essen à Duisburg, en Allemagne. “Puisque vous avez des charges accélérées, cela émet des radiations.” En ajustant les panneaux à cristaux liquides, les chercheurs ont pu rapprocher les deux points focaux. A des distances de quelques micromètres, les particules ont commencé à sentir les ondes les unes des autres et les chercheurs ont pu les faire vibrer à l’unisson, comme des masses reliées par une série de ressorts.

Le réglage du laser a également permis à l’équipe de désactiver la force exercée par une particule sur l’autre, sans désactiver la force opposée de la seconde particule. Cela a produit des lois « artificielles » de la physique qui semblaient violer la troisième loi d’Isaac Newton, à savoir que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.

Saut quantique

Stickler dit que la prochaine tâche consistera à utiliser la lumière laser pour refroidir les deux particules à leur état fondamental quantique. À ce stade, il pourrait devenir possible de mettre les particules dans un état d’intrication quantique, ce qui signifie que certaines de leurs propriétés mesurables – dans ce cas, leurs positions – sont plus fortement corrélées que ne le permettraient les lois de la non-intrication classique. la physique quantique.

L’intrication est une caractéristique du comportement quantique, qui n’est généralement observé qu’à des échelles subatomiques. Les physiciens se demandent depuis longtemps si les objets macroscopiques sont régis par leur propre ensemble de lois ou si les effets quantiques sont tout simplement trop difficiles à observer à ces échelles. Un certain nombre d’efforts expérimentaux sondent cette question en démontrant le comportement quantique à des échelles de plus en plus grandes. L’année dernière, deux équipes ont mis indépendamment des paires de tambours à l’échelle micrométrique dans un état intriqué – la première fois que cela avait été fait pour des objets macroscopiques.

Mais les chercheurs disent que de tels objets “bridés” posent des limites : ils sont physiquement connectés à un appareil, ce qui rend difficile d’empêcher les états quantiques délicats d’être perturbés. Dans cet esprit, Peter Zoller, physicien théoricien à l’Université d’Innsbruck en Autriche, et d’autres ont d’abord envisagé d’utiliser des nanoparticules en lévitation pour des expériences quantiques en 201035. “Vous pourriez même penser qu’une nanoparticule est un petit ordinateur que vous pouvez contrôler avec une lumière laser et vous déplacer”, explique Zoller.

Un autre avantage de la technique de lévitation est qu’elle devrait fonctionner aussi bien pour piéger plus de deux particules, ajoute Stickler. Zoller est d’accord. “Il est immédiatement évolutif à un nombre beaucoup plus grand,” dit-il.

Lorsqu’ils sont appliqués à des atomes ou des ions individuels, la lévitation et le refroidissement par laser ont été “comme une sauce secrète dans l’informatique quantique”, explique Zoller. La même chose pourrait arriver avec les nanoparticules.

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