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...) 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)...) 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...) 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...) 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...) en utilisant le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) 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...) 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...) 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...) vers des tests fondamentaux de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...).

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...) 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...) 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...) macroscopique, créant un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) 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...) 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...) 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...). 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...) à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) environnant, à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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...).

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.