Les physiciens disposent les atomes à proximité les uns des autres, ouvrant ainsi la voie à l’exploration d’états exotiques de la matière. | Dmshaulers

Les physiciens disposent les atomes à proximité les uns des autres, ouvrant ainsi la voie à l'exploration d'états exotiques de la matière.

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Les physiciens du MIT ont développé une technique permettant de disposer les atomes (représentés par des sphères avec des flèches) à une proximité beaucoup plus rapprochée qu’auparavant, jusqu’à 50 nanomètres. Le groupe prévoit d’utiliser cette méthode pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique – un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique. Sur cette image, l’interaction magnétique est représentée par les lignes colorées. Crédit : Li Du et al., Massachusetts Institute of Technology

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Les physiciens du MIT ont développé une technique permettant de disposer les atomes (représentés par des sphères avec des flèches) à une proximité beaucoup plus rapprochée qu’auparavant, jusqu’à 50 nanomètres. Le groupe prévoit d’utiliser cette méthode pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique – un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique. Sur cette image, l’interaction magnétique est représentée par les lignes colorées. Crédit : Li Du et al., Massachusetts Institute of Technology

La proximité est la clé de nombreux phénomènes quantiques, car les interactions entre atomes sont plus fortes lorsque les particules sont proches. Dans de nombreux simulateurs quantiques, les scientifiques disposent les atomes aussi près que possible les uns des autres pour explorer des états exotiques de la matière et construire de nouveaux matériaux quantiques.

Pour ce faire, ils refroidissent généralement les atomes jusqu’à l’arrêt, puis utilisent la lumière laser pour placer les particules à une distance aussi rapprochée que 500 nanomètres, une limite fixée par la longueur d’onde de la lumière. Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont développé une technique qui leur permet de disposer les atomes à une distance beaucoup plus rapprochée, jusqu’à seulement 50 nanomètres. Pour rappel, un globule rouge mesure environ 1 000 nanomètres de large.

Les physiciens ont démontré la nouvelle approche dans des expériences avec le dysprosium, qui est l’atome le plus magnétique de la nature. Ils ont utilisé cette nouvelle approche pour manipuler deux couches d’atomes de dysprosium, en les plaçant à exactement 50 nanomètres l’une de l’autre. À cette extrême proximité, les interactions magnétiques étaient 1 000 fois plus fortes que si les couches étaient séparées de 500 nanomètres.

Un article décrivant ce travail est publié dans la revue Science.

Les chercheurs ont pu mesurer deux nouveaux effets provoqués par la proximité des atomes. Leurs forces magnétiques accrues provoquaient une « thermalisation », ou transfert de chaleur d’une couche à une autre, ainsi que des oscillations synchronisées entre les couches. Ces effets disparaissaient lorsque les couches étaient plus espacées.

“Nous sommes passés de l’espacement des atomes de 500 nanomètres à 50 nanomètres, et vous pouvez faire beaucoup de choses avec cela”, déclare Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. MacArthur au MIT. “A 50 nanomètres, le comportement des atomes est tellement différent que nous entrons ici réellement dans un nouveau régime.”

Ketterle et ses collègues affirment que la nouvelle approche peut être appliquée à de nombreux autres atomes pour étudier les phénomènes quantiques. Pour sa part, le groupe prévoit d’utiliser cette technique pour manipuler les atomes dans des configurations susceptibles de générer la première porte quantique purement magnétique – un élément clé d’un nouveau type d’ordinateur quantique.

Les co-auteurs de l’étude comprennent l’auteur principal et étudiant diplômé en physique Li Du, ainsi que Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond et Yu-Kun Lu, tous membres du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, du Département de physique, et le Laboratoire de recherche en électronique du MIT.


Légende : Les étudiants diplômés Li Du, à gauche, et Yu-Kun Lu ajustent l’électronique de contrôle des systèmes laser. Crédit : Li Du et al.

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Légende : Les étudiants diplômés Li Du, à gauche, et Yu-Kun Lu ajustent l’électronique de contrôle des systèmes laser. Crédit : Li Du et al.

Pics et vallées

Pour manipuler et organiser les atomes, les physiciens refroidissent généralement d’abord un nuage d’atomes à des températures proches du zéro absolu, puis utilisent un système de faisceaux laser pour disposer les atomes dans un piège optique.

La lumière laser est une onde électromagnétique avec une longueur d’onde (la distance entre les maxima du champ électrique) et une fréquence spécifiques. La longueur d’onde limite le plus petit motif dans lequel la lumière peut être façonnée à généralement 500 nanomètres, ce qu’on appelle la limite de résolution optique. Étant donné que les atomes sont attirés par la lumière laser de certaines fréquences, les atomes seront situés aux points d’intensité laser maximale. Pour cette raison, les techniques existantes sont limitées quant à la proximité avec laquelle elles peuvent placer des particules atomiques et ne peuvent pas être utilisées pour explorer des phénomènes qui se produisent à des distances beaucoup plus courtes.

“Les techniques conventionnelles s’arrêtent à 500 nanomètres, non limitées par les atomes, mais par la longueur d’onde de la lumière”, explique Ketterle. “Nous avons maintenant trouvé une nouvelle astuce avec la lumière qui nous permet de dépasser cette limite.”

La nouvelle approche de l’équipe, comme les techniques actuelles, commence par refroidir un nuage d’atomes – dans ce cas à environ 1 microkelvin, juste un cheveu au-dessus du zéro absolu – après quoi les atomes gèlent virtuellement. Les physiciens peuvent ensuite utiliser des lasers pour déplacer les particules gelées dans les configurations souhaitées.

Ensuite, Du et ses collaborateurs ont travaillé avec deux faisceaux laser, chacun ayant une fréquence ou une couleur différente ; et polarisation circulaire ou direction du champ électrique du laser. Lorsque les deux faisceaux se déplacent à travers un nuage d’atomes surfondus, les atomes peuvent orienter leur spin dans des directions opposées, en suivant la polarisation de l’un des deux lasers. Le résultat est que les faisceaux produisent deux groupes des mêmes atomes, mais avec des spins opposés.

Chaque faisceau laser formait une onde stationnaire, un motif périodique d’intensité de champ électrique avec une période spatiale de 500 nanomètres. En raison de leurs polarisations différentes, chaque onde stationnaire attirait l’un des deux groupes d’atomes, en fonction de leur spin. Les lasers pourraient être superposés et réglés de manière à ce que la distance entre leurs pics respectifs soit aussi petite que 50 nanomètres, ce qui signifie que les atomes gravitant vers les pics de chaque laser respectif seraient séparés des mêmes 50 nanomètres.

Mais pour que cela se produise, les lasers doivent être extrêmement stables et insensibles à tout bruit extérieur, comme les tremblements ou même la respiration pendant l’expérience. L’équipe a réalisé qu’elle pouvait stabiliser les deux lasers en les faisant passer à travers une fibre optique, qui servait à verrouiller les faisceaux lumineux l’un par rapport à l’autre.

“L’idée d’envoyer les deux faisceaux à travers la fibre optique signifiait que l’ensemble de la machine pouvait trembler violemment, mais les deux faisceaux laser restaient absolument stables l’un par rapport à l’autre”, explique Du.


Des lasers de différentes couleurs sont utilisés pour refroidir et piéger les atomes de dysprosium. Crédit : Li Du et al.

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Des lasers de différentes couleurs sont utilisés pour refroidir et piéger les atomes de dysprosium. Crédit : Li Du et al.

Forces magnétiques à courte distance

Pour tester leur nouvelle technique, l’équipe a utilisé des atomes de dysprosium, un métal des terres rares qui est l’un des éléments magnétiques les plus puissants du tableau périodique, en particulier à des températures ultra-froides. Mais à l’échelle des atomes, les interactions magnétiques de l’élément sont relativement faibles même à des distances de 500 nanomètres.

Comme avec les aimants de réfrigérateur ordinaires, l’attraction magnétique entre les atomes augmente avec la proximité, et les chercheurs ont soupçonné que si leur nouvelle technique pouvait placer les atomes de dysprosium aussi près que 50 nanomètres les uns des autres, ils pourraient observer l’émergence d’interactions autrement faibles entre les atomes magnétiques.

“Nous pourrions soudainement avoir des interactions magnétiques qui étaient auparavant presque négligeables, mais qui sont désormais très fortes”, explique Ketterle.

L’équipe a appliqué sa technique au dysprosium, en refroidissant d’abord les atomes, puis en faisant passer deux lasers pour diviser les atomes en deux groupes de spin, ou couches. Ils ont ensuite dirigé les lasers à travers une fibre optique pour les stabiliser et ont découvert que les deux couches d’atomes de dysprosium gravitaient réellement vers leurs pics laser respectifs, séparant efficacement les couches d’atomes de 50 nanomètres – la distance la plus proche que n’importe quel atome ultra-froid. l’expérience a pu réaliser.

À cette proximité extrêmement proche, les interactions magnétiques naturelles des atomes étaient considérablement améliorées et étaient 1 000 fois plus fortes que s’ils étaient placés à 500 nanomètres l’un de l’autre. L’équipe a observé que ces interactions aboutissaient à deux nouveaux phénomènes quantiques : l’oscillation collective, où les vibrations d’une couche faisaient vibrer l’autre couche de manière synchronisée ; et la thermalisation, où une couche transfère la chaleur à l’autre, uniquement par le biais de fluctuations magnétiques des atomes.

“Jusqu’à présent, la chaleur entre les atomes ne pouvait être échangée que lorsqu’ils se trouvaient dans le même espace physique et pouvaient entrer en collision”, note Du. “Maintenant, nous avons vu des couches atomiques, séparées par le vide, et elles échangent de la chaleur via des champs magnétiques fluctuants.”

Les découvertes de l’équipe introduisent une nouvelle technique qui peut être utilisée pour placer de nombreux types d’atomes à proximité. Ils montrent également que les atomes, suffisamment rapprochés les uns des autres, peuvent présenter des phénomènes quantiques intéressants qui peuvent être exploités pour construire de nouveaux matériaux quantiques et des systèmes atomiques potentiellement pilotés magnétiquement pour les ordinateurs quantiques.

“Nous introduisons réellement les méthodes de superrésolution sur le terrain, et elles deviendront un outil général pour réaliser des simulations quantiques”, explique Ketterle. “Il existe de nombreuses variantes possibles sur lesquelles nous travaillons.”

Plus d’information:
Li Du et al, Physique atomique à l’échelle 50 nm : Réalisation d’un système bicouche d’atomes dipolaires, Science (2024). DOI : 10.1126/science.adh3023. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023

Informations sur la revue :
Science


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