Déplacer un objet macroscopique grâce à un système quantique

Publié par Redbran le 24/02/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs sont parvenus à mettre en mouvement un oscillateur mécanique de 18 µm de long en excitant optiquement un atome artificiel unique intégré en son sein. Ce travail ouvre la voie à l'émergence d'interfaces reliant le domaine quantique au monde (Le mot monde peut désigner :) classique.


Figure 1: Schéma de principe de l'expérience: un micro-fil conique semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) d'arséniure de gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa...) (GaAs) long de 18 µm, à la base duquel une boîte quantique d'arséniure d'indium (L'indium est un élément chimique, de symbole In et de numéro atomique 49. C'est un...) est implantée.

On sait aujourd'hui préparer les atomes, ou les atomes artificiels tels que les boîtes quantiques semi-conductrices, dans un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...) bien défini via une excitation optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) à l'aide de lasers. A contrario, on ne sait pas préparer directement un système mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) macroscopique dans un état quantique, du fait de son grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de degrés de liberté. Disposer de tels systèmes permettrait entre autres applications nouvelles de réaliser des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) ou de position avec des précisions extraordinaires, ou d'effectuer de nouvelles fonctions dans le traitement quantique de l'information. Une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) consiste à intégrer un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) artificiel au coeur du système mécanique, à préparer celui-ci dans un état quantique bien défini, puis à transférer cet état sur le système macroscopique.

En démontrant l'actionnement d'un micro-fil mécanique par manipulation optique de l'état d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) artificiel, une équipe associant l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel (NEEL, CNRS/Univ. Grenoble Alpes/Grenoble INP), le Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) (LPENSL, CNRS/ENS Lyon), le IRIG-PHELIQS (CEA/Univ. Grenoble Alpes), l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Campinas, et l'Université de Nottingham (L'Université de Nottingham (en anglais, The University of Nottingham) est une université...) a franchi une étape importante dans la conception d'une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) permettant de transférer de l'information quantique vers des systèmes macroscopiques.

Le dispositif mis au point (Graphie) consiste en un micro-fil conique semi-conducteur d'arséniure de gallium long de 18 µm, à la base duquel une boîte quantique d'arséniure d'indium est implantée, décalée par rapport à l'axe de symétrie (voir Fig. 1). L'état excité de ce type de boîte quantique correspond à la formation d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) électron-trou, également appelée exciton. La présence de cet exciton dans la boîte quantique modifie son volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) effectif (voir Fig. 1c), ce qui entraîne une modification importante du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de contraintes parcourant le micro-fil. La boîte se trouvant en dehors de l'axe de symétrie, ces contraintes entraînent une déflexion, qui est utilisée pour mettre en mouvement le fil. Expérimentalement, l'équipe utilise les impulsions d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) accordé sur la transition de la boîte quantique afin de former périodiquement ces excitons. La vibration du micro-fil résultante est détectée de manière synchrone par une technique optique ultra-sensible. Ce travail est publié dans la revue Nature Nanotechnology.

En 2013, l'équipe avait montré les conséquences du déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) d'un même fil d'arséniure de gallium sur la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) émis par une boîte quantique. Étudier l'autre versant (En géomorphologie, un versant est une surface topographique inclinée, située entre...) de ce couplage a constitué un défi majeur, notamment à cause du très faible mouvement du micro-fil: 0,6 picomètre d'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), soit mille fois plus petit qu'un atome. L'une des difficultés tient aux effets des fluctuations thermiques de la position de l'oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou...) à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de l'expérience (T=20 K), ainsi qu'aux perturbations de l'exciton de la boîte quantique par les fluctuations de son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) dans le semiconducteur, qui ont tous deux tendance à masquer la mise en mouvement de l'oscillateur. Ainsi, l'expérience a dû être répétée un grand nombre de fois afin de moyenner ces effets, ce qui requiert un dispositif d'une extrême stabilité.

Si des progrès importants demeurent nécessaires pour imprimer des états quantiques d'un atome artificiel vers un oscillateur mécanique macroscopique, cette preuve de principe met en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) le fort potentiel de la manipulation tout-optique de systèmes hybrides boîte-quantique/microfil semi-conducteur dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...).

Référence:
Inducing micromechanical motion by optical excitation of a single quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) dot.
J. Kettler, N. Vaish, L. M. de Lépinay, B. Besga, P.-L.de Assis, O. Bourgeois, A. Auffèves, M. Richard, J. Claudon, J.-M. Gérard, B. Pigeau, O. Arcizet, P. Verlot et J.-P. Poizat, Nature Nanotechnology,Publié le 21 décembre 2020.
DOI: 10.1038/s41565-020-00814-y
Article disponible sur la base d'archives ouvertehal.

Contacts:
- Jean-Philippe Poizat - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut Néel - jean-philippe.poizat at neel.cnrs.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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