Les scientifiques font danser les nanoparticules pour percer les limites quantiques


La question de savoir où se situe la frontière entre la physique classique et la physique quantique est l'une des recherches les plus anciennes de la recherche scientifique moderne et dans de nouvelles recherches publiées aujourd'hui, les scientifiques présentent une nouvelle plate-forme qui pourrait nous aider à trouver une réponse.

Les lois de la physique quantique régissent le comportement des particules à des échelles minuscules, conduisant à des phénomènes tels que l'intrication quantique, dans lequel les propriétés des particules intriquées deviennent inextricablement liées d'une manière qui ne peut être expliquée par la physique classique.

La recherche en physique quantique nous aide à combler les lacunes de nos connaissances en physique et peut nous donner une image plus complète de la réalité, mais les échelles minuscules auxquelles les systèmes quantiques fonctionnent peuvent les rendre difficiles à observer et à étudier.

Au cours du siècle dernier, les physiciens ont observé avec succès des phénomènes quantiques dans des objets de plus en plus grands, depuis des particules subatomiques comme les électrons jusqu'à des molécules contenant des milliers d'atomes.

Plus récemment, le domaine de l'optomécanique en lévitation, qui traite du contrôle d'objets de grande masse à l'échelle micrométrique dans le vide, vise à repousser les limites plus loin en testant la validité des phénomènes quantiques dans des objets plusieurs ordres de grandeur plus lourds que les atomes et molécules. Cependant, à mesure que la masse et la taille d'un objet augmentent, les interactions qui aboutissent à des caractéristiques quantiques délicates, telles que l'intrication, se perdent dans l'environnement, entraînant le comportement classique que nous observons.

Mais maintenant, l'équipe codirigée par le Dr Jayadev Vijayan, directeur du laboratoire d'ingénierie quantique de l'Université de Manchester, avec des scientifiques de l'ETH Zurich et des théoriciens de l'Université d'Innsbruck, a établi une nouvelle approche pour surmonter ce problème de manière plus efficace. expérience réalisée à l'ETH Zurich, publiée dans la revue Physique naturelle.

Le Dr Vijayan a déclaré : « Pour observer les phénomènes quantiques à plus grande échelle et faire la lumière sur la transition classique-quantique, les caractéristiques quantiques doivent être préservées en présence de bruit ambiant. Comme vous pouvez l'imaginer, il existe deux façons de procéder : la première consiste à supprimer le bruit et la seconde à renforcer les caractéristiques quantiques.

« Notre recherche démontre un moyen de relever le défi en adoptant la deuxième approche. Nous montrons que les interactions nécessaires à l'intrication entre deux particules de verre de 0,1 micron piégées optiquement peuvent être amplifiées de plusieurs ordres de grandeur pour surmonter les pertes dans l'environnement. « 

Les scientifiques ont placé les particules entre deux miroirs hautement réfléchissants qui forment une cavité optique. De cette façon, les photons diffusés par chaque particule rebondissent entre les miroirs plusieurs milliers de fois avant de quitter la cavité, ce qui augmente considérablement les chances d'interagir avec l'autre particule.

Johannes Piotrowski, co-responsable de l'étude à l'ETH Zurich, a ajouté : « Remarquablement, comme les interactions optiques sont médiées par la cavité, sa force ne décroît pas avec la distance, ce qui signifie que nous pourrions coupler des particules à l'échelle du micron sur plusieurs millimètres. »

Les chercheurs démontrent également la capacité remarquable d’ajuster ou de contrôler finement la force d’interaction en faisant varier les fréquences laser et la position des particules dans la cavité.

Les résultats représentent un pas important vers la compréhension de la physique fondamentale, mais sont également prometteurs pour des applications pratiques, notamment dans la technologie des capteurs qui pourraient être utilisées pour la surveillance environnementale et la navigation hors ligne.

Le Dr Carlos Gonzalez-Ballestero, un collaborateur de l'Université technique de Vienne, a déclaré : « La principale force des capteurs mécaniques en lévitation réside dans leur masse élevée par rapport aux autres systèmes quantiques utilisant la détection. Cette masse élevée les rend bien adaptés à la détection des forces gravitationnelles et des accélérations. , ce qui se traduit par une meilleure sensibilité. En tant que tels, les capteurs quantiques peuvent être utilisés dans de nombreuses applications différentes dans divers domaines, tels que la surveillance des glaces polaires pour la recherche climatique et la mesure des accélérations à des fins de navigation.

Piotrowski a ajouté : « C'est passionnant de travailler sur cette plate-forme relativement nouvelle et de tester jusqu'où nous pouvons la pousser dans le régime quantique. »

Désormais, l’équipe de chercheurs combinera les nouvelles capacités avec des techniques de refroidissement quantique bien établies dans le but de valider l’intrication quantique. En cas de succès, l’intrication de nanoparticules et de microparticules en lévitation pourrait réduire l’écart entre le monde quantique et la mécanique classique quotidienne.

Au Photon Science Institute et au Département de génie électrique et électronique de l'Université de Manchester, l'équipe du Dr Jayadev Vijayan continuera à travailler sur l'optomécanique en lévitation, en exploitant les interactions entre plusieurs nanoparticules pour des applications en détection quantique.

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