Pour la première fois, des physiciens ont refroidi un objet mécanique à une température plus froide que ce que l’on croyait possible, le faisant passer sous la “limite quantique” et détournant les lois de la physique.
Grâce à une nouvelle technique, l’équipe a réussi à refroidir un tambour mécanique microscopique à une température inouïe de 360 microKelvins, soit 10 000 fois plus froide que le vide spatial. Il s’agit de l’objet mécanique le plus froid jamais enregistré.
“C’est beaucoup plus froid que n’importe quelle température naturelle dans l’Univers”, a déclaré le chef de l’équipe, John Teufel, du National Institute of Standards and Technology de Boulder (Colorado), à Leah Crane duNew Scientist.
“Les résultats ont été une surprise totale pour les experts du domaine”, a ajouté l’un des chercheurs, José Aumentado, dans un communiqué de presse.
Pour être clair, ce n’est pas l’objet le plus froid de tous les temps – ce titre revient aux bosons qui peuvent être refroidis à des températures aussi basses que les condensats de Bose-Einstein. Les condensats de Bose-Einstein sont un gaz dilué de 500 picoKelvin (un picoKelvin vaut 10-12 et un microKelvin 10-6).
Mais il s’agit de loin de l’objet mécanique le plus froid, ce qui signifie qu’il fait partie d’une installation plus importante et qu’il pourrait être utilisé dans des technologies futures.
Le minuscule tambour était constitué d’une membrane d’aluminium vibrante. Les chercheurs ont réussi à le faire descendre à moins d’un cinquième d’un “quantum” en dessous de la température prévue par les lois de la physique. Un quantum est utilisé pour décrire un seul paquet d’énergie contenu dans un photon.
En fait, l’équipe suggère que cette nouvelle technique est si puissante qu’elle pourrait théoriquement être utilisée pour refroidir des objets jusqu’au zéro absolu, ou zéro Kelvin – la température à laquelle la matière est dépourvue de presque toute énergie et de tout mouvement.
Habituellement, lorsque les chercheurs refroidissent des objets, ils utilisent des lasers pour ralentir le mouvement des atomes, ce qui atténue les vibrations thermiques qui se produisent dans un matériau.
Plus la lumière laser est organisée, mieux elle peut refroidir une surface. Mais la nouvelle technique va encore plus loin et utilise une lumière dite “comprimée” pour refroidir les atomes bien plus que ce que l’on croyait possible auparavant.
La lumière comprimée est un type de lumière qui a été davantage organisée dans une direction que dans une autre. Cela déplace le bruit quantique inutile – ou les fluctuations – des particules de lumière, d’une propriété utile de la lumière à un autre aspect qui n’affecte pas l’expérience.
Cette lumière comprimée est fréquemment utilisée en cryptographie quantique et pour enchevêtrer la lumière. Mais c’est la première fois que des chercheurs ont pensé à l’appliquer pour refroidir quelque chose.
Ce n’est pas une mince affaire, car le bruit de la lumière organisée normale réchauffe l’objet que les chercheurs tentent de refroidir et limite le froid qu’il peut atteindre – d’où la “limite quantique”.
Mais la nouvelle étude suggère qu’en comprimant la lumière, nous pouvons dépasser cette limite de refroidissement quantique.
“Le bruit donne des coups de pied ou des échauffements aléatoires à la chose que vous essayez de refroidir”, a déclaré M. Teufel
nous comprimons la lumière à un niveau “magique” – dans une direction et une quantité très spécifiques – pour produire des photons parfaitement corrélés avec une intensité plus stable. Ces photons sont à la fois fragiles et puissants.”
Pourquoi est-il important de savoir à quel point nous pouvons rendre les matériaux froids ? Parce que cela pourrait nous aider à créer l’électronique super rapide du futur.
L’instrument tambour que l’équipe a refroidi mesurait 20 micromètres de diamètre et 100 nanomètres d’épaisseur, et était intégré dans un circuit supraconducteur.
Ce type de tambour pourrait être utilisé dans les ordinateurs quantiques qui combinent des éléments quantiques et mécaniques, et plus on peut le refroidir, plus il sera précis.
“Plus vous pouvez obtenir le tambour froid, meilleur il est pour toute application”, a déclaré Teufel.
“Les capteurs deviennent plus sensibles. Vous pouvez stocker des informations plus longtemps. Si vous l’utilisiez dans un ordinateur quantique, alors vous calculeriez sans distorsion, et vous obtiendriez réellement la réponse que vous voulez.”
Le tambour super réfrigéré pourrait également nous aider à sonder la nature même du monde quantique, étant donné que certains des comportements étranges de la mécanique quantique semblent apparaître dans les matériaux ordinaires une fois qu’ils ont atteint les limites de ce que l’on pensait auparavant être physiquement possible.
Comme nous l’apprenons, ce que nous pensons être possible aujourd’hui n’est qu’un début en matière de science.
Ces recherches ont été publiées dans la revue Nature.