Un pack double de nanoparticules refroidies

Cela ouvre de nombreuses possibilités pour étudier les phénomènes quantiques de ces particules ou pour construire des capteurs très sensibles.

23.11.2022 - Suisse

Des chercheurs de l'ETH ont mis au point une technique permettant de refroidir simultanément plusieurs nanoparticules à des températures de quelques millièmes de degré seulement au-dessus du zéro absolu. Cette nouvelle méthode peut être utilisée pour étudier les effets quantiques de plusieurs nanoparticules et pour construire des capteurs très sensibles.

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 : des atomes, des molécules et, plus récemment, des nanoparticules composées de milliards d'atomes. Alors que l'on peut refroidir des atomes avec la seule lumière laser, jusqu'à présent les nanoparticules devaient avoir une charge électrique et devaient être manipulées à l'aide de champs électriques pour un refroidissement optimal. Une équipe de chercheurs de l'ETH, dirigée par le professeur Lukas Novotny du Département de technologie de l'information et d'électrotechnique, vient de mettre au point une technique permettant de piéger et de refroidir plusieurs nanoparticules indépendamment de leur charge électrique jusqu'à quelques millikelvins. Cela ouvre de nombreuses possibilités pour étudier les phénomènes quantiques de ces particules ou pour construire des capteurs très sensibles.

Refroidir des particules neutres

"Dans notre groupe de recherche, nous avons perfectionné le refroidissement de nanoparticules simples chargées électriquement au cours des dix dernières années", explique Jayadev Vijayan, post-doctorant dans le laboratoire de Novotny et auteur principal de l'article récemment publié dans la revue scientifique Nature Nanotechnology. "Avec cette nouvelle méthode, qui fonctionne également pour les objets électriquement neutres, nous pouvons maintenant aussi piéger plusieurs particules simultanément pour la première fois, ce qui ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour la recherche."

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Dans leurs expériences, les chercheurs ont piégé une minuscule sphère de verre d'un peu moins de 200 nanomètres à l'aide d'un faisceau laser fortement focalisé, également appelé pince optique, à l'intérieur d'un appareil sous vide. À l'intérieur de la pince optique, la sphère oscille d'avant en arrière en raison de son énergie de mouvement. Plus la température de la particule est élevée, plus son énergie de mouvement et donc l'amplitude de l'oscillation sont importantes. L'intensité et la direction de l'oscillation de la sphère à l'intérieur de la pince optique à un moment donné peuvent être mesurées à l'aide d'un détecteur de lumière, qui capte la lumière laser diffusée par la sphère.

Ralentir en secouant

Novotny et ses collaborateurs utilisent ensuite ces informations pour ralentir la nanoparticule et, par conséquent, la refroidir. Pour ce faire, ils secouent la pince optique dans le sens exactement inverse de l'oscillation de la sphère à l'aide d'un déflecteur contrôlé électroniquement qui modifie légèrement la direction du faisceau laser et donc la position de la pince. Lorsque la sphère se déplace vers la gauche, la pince est rapidement déplacée vers la droite afin de contrer le mouvement de la sphère ; lorsqu'elle se déplace vers la droite, le déflecteur déplace la pince vers la gauche. De cette manière, l'amplitude d'oscillation de la sphère, et donc sa température effective, est réduite petit à petit, jusqu'à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu de -273,15 degrés Celsius.

Pour refroidir deux nanoparticules en même temps, les chercheurs utilisent une astuce. Les pinces optiques dans lesquelles ils piègent les sphères sont réglées de telle sorte que les fréquences d'oscillation des particules soient légèrement différentes. De cette façon, les mouvements des deux sphères peuvent être distingués à l'aide du même détecteur de lumière, et les stratégies de refroidissement peuvent être appliquées séparément aux deux pinces.

Mise à l'échelle pour plusieurs nanoparticules

"Le refroidissement simultané peut être facilement étendu à plusieurs nanoparticules", explique M. Vijayan : "Puisque nous avons un contrôle total sur la position des particules, nous pouvons régler arbitrairement les interactions entre elles ; de cette façon, nous pourrons à l'avenir étudier les effets quantiques de plusieurs particules, comme l'intrication". Dans un état intriqué, une mesure sur une particule influence instantanément l'état quantique de l'autre, sans contact direct entre les deux particules. Jusqu'à présent, de tels états ont été réalisés principalement avec des photons ou des atomes uniques. M. Vijayan espère qu'un jour, il sera en mesure de créer des états intriqués avec des nanoparticules beaucoup plus grandes.

Le fait que les nanoparticules puissent être électriquement neutres présente d'autres avantages, par exemple pour le développement de capteurs extrêmement sensibles. Lors de la mesure de forces gravitationnelles très faibles entre des objets ou de la recherche d'une hypothétique matière noire, on aimerait éliminer autant que possible les autres forces - et le plus souvent, il s'agit de forces électrostatiques entre particules chargées. La méthode développée par les chercheurs de l'ETH promet de nouvelles perspectives dans ces domaines également.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Publication originale

Vijayan J, Zhang Z, Piotrowski J, Windey D, van der Laan F, Frimmer M, Novotny L: Scalable all-optical cold damping of levitated nanoparticles. Nature Nanotechnology, 21 November 2022.

https://www.chemeurope.com/fr/news/1178596/un-pack-double-de-nanoparticules-refroidies.html

Publication originale

Vijayan J, Zhang Z, Piotrowski J, Windey D, van der Laan F, Frimmer M, Novotny L: Scalable all-optical cold damping of levitated nanoparticles. Nature Nanotechnology, 21 November 2022.

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