Refroidir le mouvement d'un diamant en lévitation grâce à son magnétisme

Des physiciens ont pour la première fois utilisé le magnétisme quantique d'un microdiamant en lévitation pour contrôler son mouvement et le refroidir.

Observer le régime quantique d'un oscillateur mécanique macroscopique, c'est depuis une dizaine d'années l'objectif des physiciens qui étudient la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les...) entre les mondes classiques et quantiques. L'une des voies privilégiées consiste à chercher à ralentir le mouvement d'une microparticule piégée. Jusqu'à présent, ce sont des faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) qui étaient utilisés à cet effet, avec la difficulté d'éviter le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) dû à ces mêmes faisceaux.


Pour la première fois, des physiciens du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) de l'ENS (LPENS, CNRS/ENS/Sorbonne Univ./Univ. de Paris) viennent de mettre en oeuvre une approche alternative: agir sur le mouvement d'un microdiamant en lévitation dans un piège électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) en utilisant le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en...) dû à quelques milliards défauts cristallins. Ils ont notamment démontré qu'il est possible de refroidir le mouvement du diamant induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) par les collisions avec les molécules d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) qui l'entoure. Ce résultat, publié dans la revue Nature marque une étape importante sur la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le...) vers des tests fondamentaux de la physique quantique.

Dans le diamant, les électrons localisés sur des défauts cristallins particuliers du diamant, les centres NV, sont suffisamment isolés de leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) pour émettre une manipulation efficace de l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le...) de leur magnétisme. En principe, un seul de ces aimants quantiques pourrait permettre d'influencer le mouvement d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) macroscopique, créant un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus...) entre monde (Le mot monde peut désigner :) quantique et monde classique. Cependant, la réalisation d'un tel processus est un formidable challenge expérimental.

Pour avancer vers cette voie, les physiciens ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord mis au point (Graphie) un piège électrostatique, permettant de faire léviter des diamants d'une taille d'environ 10 micromètres. Une fois un diamant piégé, le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) des quelques milliards de centres NV contenus dans le diamant est maintenu dans un état non magnétique en illuminant le diamant avec un laser vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante...). L'application d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du fait que ces ondes ont une longueur d'onde...) à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) bien précise permet alors de magnétiser ces électrons. Telles de petites boussoles, les centres NV cherchent alors à s'aligner avec le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) généré par un aimant placé à proximité du piège, exerçant un couple sur le diamant et un changement de son orientation.

Une lecture optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de l'orientation du diamant a permis aux chercheurs d'observer ce mécanisme, démontrant ainsi la possibilité d'agir sur le mouvement du diamant en manipulant le spin des centres NV. Il a de plus été possible d'exploiter la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de la magnétisation des centres NV couplée à celle de l'orientation du diamant pour créer une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) visqueuse permettant de refroidir le mouvement angulaire du diamant. Les physiciens ont ainsi réduit la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) du mouvement du diamant à 80 kelvins, alors que le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) environnant, à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de 1 millième de la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.), était à température ambiante, c'est à dire 300 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...).

Référence:
Spin-cooling of the motion of a trapped diamond.
T. Delord, P. Huillery, L. Nicolas, G. Hétet, Nature, le 23 mars 2020.
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2133-z
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.