Des nanoparticules refroidies en double exemplaire
Des chercheurs de l'ETH ont développé une méthode pour refroidir simultanément plusieurs nanoparticules à des températures de quelques millièmes de degré seulement au-dessus du zéro absolu. Cette nouvelle méthode permet d'étudier les effets quantiques de plusieurs nanoparticules et de construire des capteurs ultrasensibles.
Au cours des quarante dernières années, les physiciens ont appris à refroidir des objets de plus en plus grands à des températures proches du zéro absolu : Atomes, molécules et, plus récemment, nanoparticules composées de milliards d'atomes. Alors que les atomes peuvent être refroidis uniquement à l'aide de la lumière laser, les nanoparticules devaient jusqu'à présent être chargées électriquement et manipulées avec des champs électriques pour un refroidissement optimal. Une équipe de chercheurs de l'ETH menée par le professeur Lukas Novotny du Département de la technologie de l'information et de l'électrotechnique a désormais développé une méthode permettant de capturer plusieurs nanoparticules indépendamment de leur charge électrique et de les refroidir à quelques milli-Kelvin. Il en résulte de nombreuses possibilités d'étudier les phénomènes quantiques sur de telles particules ou de construire des capteurs ultrasensibles.
Refroidissement de particules neutres
"Dans notre groupe de recherche, nous avons perfectionné au cours des dix dernières années le refroidissement de nanoparticules individuelles chargées électriquement", explique Jayadev Vijayan, post-doctorant dans le laboratoire de Novotny et premier auteur du travail qui vient de para?tre dans la revue Nature Nanotechnology. "Gr?ce à cette nouvelle méthode, qui fonctionne également pour les objets électriquement neutres, nous pouvons en outre désormais refroidir pour la première fois plusieurs particules en même temps, ce qui ouvre de toutes nouvelles perspectives pour la recherche".
Dans leurs expériences, les chercheurs ont capturé une bille de verre d'à peine 200 nanomètres dans un appareil à vide à l'aide d'un faisceau laser fortement focalisé, également appelé pincette optique. Dans la pincette optique, la bille oscille en raison de son énergie cinétique. Plus la température de la particule est élevée, plus son énergie cinétique est importante et donc plus l'amplitude de l'oscillation est grande. L'intensité et la direction de l'oscillation de la bille à un moment donné dans la pincette optique peuvent être mesurées à l'aide d'un détecteur de lumière qui capte la lumière laser diffusée par la bille.
Freiner en secouant
Novotny et ses collaborateurs utilisent ensuite ces informations pour ralentir la nanoparticule et ainsi la refroidir. Pour ce faire, la pincette optique est secouée exactement à contretemps de l'oscillation de la bille au moyen d'un déflecteur à commande électronique qui modifie légèrement la direction du faisceau laser et donc la position de la pincette. Si elle se déplace vers la gauche, la pincette est rapidement déplacée vers la droite afin de contrer le mouvement de la bille ; si elle se déplace vers la droite, le déflecteur déplace la pincette vers la gauche. Petit à petit, l'amplitude d'oscillation de la nanoparticule et donc sa température effective diminuent - jusqu'à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu de -273,15 degrés Celsius.
Pour refroidir simultanément deux nanoparticules, les chercheurs ont recours à une astuce. Les deux pinces optiques dans lesquelles ils capturent les billes sont réglées de manière à ce que les fréquences d'oscillation des particules soient légèrement différentes. Cela permet de distinguer les mouvements des deux billes à l'aide du même détecteur de lumière et d'appliquer les stratégies de refroidissement séparément aux deux pincettes.
Extension à plusieurs nanoparticules
" Ce refroidissement simultané peut facilement être étendu à plusieurs nanoparticules ", explique Vijayan : " Comme nous contr?lons entièrement les positions des particules, nous pouvons ajuster à volonté l'interaction entre elles et ainsi étudier à l'avenir les effets quantiques de plusieurs de ces particules, comme par exemple l'intrication."Dans l'état d'intrication, une mesure sur une particule influence instantanément l'état quantique de l'autre, sans que les deux particules soient en contact direct. Jusqu'à présent, de tels états ont été réalisés principalement avec des photons ou des atomes individuels. Vijayan espère que cette nouvelle méthode permettra un jour de réaliser des états intriqués également avec des nanoparticules beaucoup plus grandes.
Le fait que les nanoparticules puissent être électriquement neutres présente d'autres avantages, notamment pour le développement de capteurs extrêmement sensibles. Lors de la mesure de forces gravitationnelles très faibles entre des objets ou lors de la recherche de l'hypothétique matière noire, on souhaite éliminer autant que possible d'autres forces - et il s'agit le plus souvent de forces électrostatiques entre des particules chargées. La méthode des chercheurs de l'ETH promet donc de nouvelles découvertes dans ce domaine également.
Référence bibliographique
Vijayan J, Zhang Z, Piotrowski J, Windey D, van der Laan F, Frimmer M, Novotny L : Amortissement à froid all-optique scalable de nanoparticules lévitées. Nature Nanotechnology, 21 novembre 2022. doi : page externe10.1038/s41565-022-01254-6