Home / A la une / En étudiant un matériau commun à la température ambiante, les chercheurs ont rapproché le comportement quantique de notre vie quotidienne – Technologik

En étudiant un matériau commun à la température ambiante, les chercheurs ont rapproché le comportement quantique de notre vie quotidienne – Technologik

Quand une corde de guitare est pincée, elle vibre comme tout objet vibrant, montant et descendant comme une onde, comme le prédisent les lois de la physique classique. Mais selon les lois de la mécanique quantique, qui décrivent le fonctionnement de la physique à l'échelle atomique, les vibrations devraient se comporter non seulement comme des ondes, mais aussi comme des particules. La même corde de guitare, lorsqu'elle est observée à un niveau quantique, doit vibrer sous forme d'unités d'énergie individuelles appelées phonons.

Des scientifiques du MIT et de l’Institut fédéral de technologie de Suisse ont pour la première fois créé et observé un phonon unique dans un matériau commun à la température ambiante.

Jusqu'à présent, les phonons isolés n'étaient observés qu'à des températures ultra-froides et dans des matériaux microscopiques conçus avec précision, que les chercheurs doivent explorer sous vide. En revanche, l'équipe a créé et observé des phonons isolés dans un diamant assis à l'air libre à la température ambiante. Les résultats, écrivent les chercheurs dans un article publié aujourd'hui dans Examen physique X, "rapproche le comportement quantique de notre vie quotidienne".

"Il existe une dichotomie entre notre expérience quotidienne de ce qu'est une vibration – une onde – et ce que la mécanique quantique nous dit qu'elle doit être – une particule", déclare Vivishek Sudhir, postdoc à l'Institut de recherche sur l'astrophysique et la recherche spatiale Kavli du MIT. . "Notre expérience, parce qu'elle est menée dans des conditions très concrètes, brise cette tension entre notre expérience quotidienne et ce que la physique nous dit doit être le cas."

La technique développée par l’équipe peut maintenant être utilisée pour sonder d’autres matériaux courants pour les vibrations quantiques. Cela pourrait aider les chercheurs à caractériser les processus atomiques dans les cellules solaires et à identifier pourquoi certains matériaux sont supraconducteurs à haute température. D'un point de vue technique, la technique de l'équipe peut être utilisée pour identifier des matériaux porteurs de phonons communs pouvant constituer des interconnexions ou des lignes de transmission idéales entre les ordinateurs quantiques du futur.

"Ce que notre travail signifie, c'est que nous avons maintenant accès à une palette beaucoup plus large de systèmes", déclare Sudhir, l'un des principaux auteurs du document.

Les co-auteurs de Sudhir sont Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson et Christophe Galland, de l'Institut fédéral suisse de technologie.

"Démocratiser la mécanique quantique"

Les phonons, les particules individuelles de vibration décrites par la mécanique quantique, sont également associés à la chaleur. Par exemple, lorsqu'un cristal, constitué de réseaux ordonnés d'atomes interconnectés, est chauffé à une extrémité, la mécanique quantique prédit que la chaleur traverse le cristal sous forme de phonons ou de vibrations individuelles des liaisons entre molécules.

Les phonons simples ont été extrêmement difficiles à détecter, principalement à cause de leur sensibilité à la chaleur. Les phonons sont sensibles à toute énergie thermique supérieure à la leur. Si les phonons sont intrinsèquement faibles en énergie, l'exposition à des énergies thermiques plus élevées pourrait déclencher une excitation massive des phonons d'un matériau, ce qui rendrait la détection d'un photon unique une tentative d'aiguille dans une botte de foin.

Les premiers efforts pour observer des phonons individuels l'ont fait avec des matériaux spécialement conçus pour héberger très peu de phonons, à des énergies relativement élevées. Ces chercheurs ont ensuite immergé les matériaux dans des réfrigérateurs proches du zéro absolu, décrit par M. Sudhir comme "extrêmement froids, agressivement froids", afin de garantir que l'énergie thermique environnante était inférieure à l'énergie des phonons présents dans le matériau.

"Si tel est le cas, la vibration (phonon) ne peut pas emprunter de l'énergie provenant de l'environnement thermique pour exciter plus d'un phonon", explique Sudhir.

Les chercheurs ont ensuite projeté une impulsion de photons (particules de lumière) dans le matériau, en espérant qu'un photon interagirait avec un seul phonon. Lorsque cela se produit, le photon, dans un processus connu sous le nom de diffusion Raman, devrait refléter vers une énergie différente qui lui est communiquée par le phonon en interaction. De cette manière, les chercheurs ont pu détecter des phonons uniques, même à des températures ultra-froides, et dans des matériaux soigneusement conçus.

"Ce que nous avons fait ici, c'est poser la question suivante: comment vous débarrasser de cet environnement compliqué que vous avez créé autour de cet objet et amener cet effet quantique dans notre environnement, pour le voir dans des matériaux plus courants", dit Sudhir . "C'est comme démocratiser la mécanique quantique dans un sens."

Un sur un million

Pour la nouvelle étude, l'équipe s'est tournée vers le diamant comme sujet de test. Dans le diamant, les phonons fonctionnent naturellement à des fréquences élevées, de dizaines de térahertz, si élevés qu’à la température ambiante, l’énergie d’un phonon est supérieure à l’énergie thermique environnante.

"Lorsque ce cristal de diamant repose à la température ambiante, le mouvement de phonon n'existe même pas, car il n'y a pas d'énergie à la température ambiante pour exciter quoi que ce soit", explique Sudhir.

Au sein de ce mélange silencieux de phonons, les chercheurs ont cherché à exciter un seul phonon. Ils ont envoyé des impulsions laser haute fréquence, composées chacune de 100 millions de photons, dans le diamant – un cristal constitué d'atomes de carbone – au hasard que l'un d'entre eux interagisse et se réfléchisse sur un phonon. L’équipe mesurerait alors la fréquence diminuée du photon impliqué dans la collision – confirmant qu’il avait bien touché un phonon, bien que cette opération ne puisse pas déterminer si un ou plusieurs phonons étaient excités dans le processus.

Pour déchiffrer le nombre de phonons excités, les chercheurs ont envoyé une seconde impulsion laser dans le diamant, au fur et à mesure que l'énergie du phonon se désintégrait. Pour chaque phonon excité par la première impulsion, cette seconde impulsion peut le désexciter, en retirant cette énergie sous la forme d'un nouveau photon d'énergie supérieure. Si un seul phonon était initialement excité, un nouveau photon de fréquence supérieure devrait être créé.

Pour confirmer cela, les chercheurs ont placé un verre semi-transparent à travers lequel ce nouveau photon de fréquence supérieure quitterait le diamant, ainsi que deux détecteurs de chaque côté du verre. Les photons ne se divisent pas. Par conséquent, si plusieurs phonons sont excités puis désexcités, les photons résultants doivent traverser le verre et se disperser de manière aléatoire dans les deux détecteurs. Si un seul détecteur "clique", indiquant la détection d'un seul photon, l'équipe peut être sûre que ce photon a interagi avec un seul phonon.

«C’est une astuce que nous jouons pour nous assurer d’observer un seul phonon», dit Sudhir.

La probabilité qu'un photon interagisse avec un phonon est d'environ un sur dix milliards. Dans leurs expériences, les chercheurs ont projeté le diamant à 80 millions d'impulsions par seconde – ce que Sudhir décrit comme un "train de millions de milliards de photons" sur plusieurs heures, afin de détecter environ 1 million d'interactions photon-phonon. En fin de compte, ils ont découvert, avec une signification statistique, qu'ils étaient capables de créer et de détecter un seul quantum de vibration.

"C’est une sorte de revendication ambitieuse, et nous devons faire attention à ce que la science soit rigoureusement menée, sans laisser de doute raisonnable", a déclaré Sudhir.

En envoyant leur deuxième impulsion laser pour vérifier que des phonons uniques étaient bien en train d'être créés, les chercheurs ont différé cette impulsion, en envoyant dans le diamant alors que le phonon excité commençait à perdre de son énergie. De cette manière, ils ont pu comprendre la manière dont le phonon s'est décomposé.

"Ainsi, non seulement nous sommes en mesure d’enquêter sur la naissance d’un seul phonon, mais également de sonder sa mort", explique Sudhir. "Maintenant, nous pouvons dire: 'utilisez cette technique pour étudier le temps nécessaire pour qu'un phonon s'éteigne dans le matériau de votre choix". Ce nombre est très utile: si le temps nécessaire pour mourir est très long, ce matériau peut supporter des phonons cohérents, auquel cas il peut faire des choses intéressantes, comme le transport thermique dans les cellules solaires et les interconnexions entre ordinateurs quantiques. "

Source

About admin

Check Also

Quel est le scoop avec la taupe bourrée de Mars InSight? On creuse encore, grâce à la ruse de la truelle • Technologik

La sonde thermique reprend provisoirement son voyage de 5 m sur la planète rouge NASA …

Laisser un commentaire