Des physiciens génèrent des rafales de son quantique avec des électrons supersoniques

Une équipe de l’Université McGill, à Montréal, a mis au point un dispositif capable de produire des rafales contrôlées de phonons, des paquets quantiques de son, en propulsant des électrons au-delà de la vitesse du son dans un cristal porté à des températures proches du zéro absolu. Publiés dans Physical Review Letters le 8 avril, les travaux ouvrent une voie nouvelle vers le laser à phonons, un instrument longtemps théorisé aux applications potentielles dans les communications sous-marines, l’imagerie médicale et la détection de précision.

Le principe est aussi élégant que contre-intuitif. Dans un cristal bidimensionnel refroidi entre 10 millikelvin et 3,9 kelvin, des chercheurs de l’Université McGill confinent des électrons au sein d’un canal de quelques atomes d’épaisseur. Lorsqu’un courant électrique accélère suffisamment ces porteurs de charge, ils franchissent le mur du son et libèrent leur surplus d’énergie sous forme de phonons. Le phénomène évoque le bang supersonique d’un avion, transposé à l’échelle quantique, où le comportement collectif des particules ouvre des possibilités inédites de contrôle.

« À des températures proches du zéro absolu, c’est-à-dire dans le monde de la physique quantique, aucun son n’est produit à moins que les électrons ne se déplacent collectivement à la vitesse du son ou au-delà« , explique Michael Hilke, professeur agrégé de physique à McGill et co-auteur de l’étude. « Notre étude va plus loin en poussant le système bien au-delà de ce seuil et en montrant que les théories existantes doivent être réévaluées, en tenant compte du fait que les électrons peuvent être très chauds même si le cristal hôte est proche du zéro absolu.« 

L’article, intitulé « Resonant Magnetophonon Emission by Supersonic Electrons in Ultrahigh-Mobility Two-Dimensional Systems », a été cosigné par Z. T. Wang, M. Hilke et leurs collaborateurs. Le dispositif a été conçu et analysé entre les laboratoires de McGill et ceux du Conseil national de recherches du Canada, tandis que le matériau cristallin a été synthétisé à l’Université de Princeton.

Des électrons brûlants dans un cristal glacé

L’un des apports théoriques de ces travaux réside dans la remise en cause partielle des modèles existants. Jusqu’ici, la physique supposait que dans un cristal maintenu au voisinage du zéro absolu, les électrons demeuraient eux aussi dans un état de faible agitation. L’expérience montre l’inverse : même quand le cristal hôte est glacial, les électrons peuvent atteindre des températures effectives élevées, condition indispensable à l’émission de phonons. Ce constat oblige à réviser certains cadres théoriques utilisés pour décrire le comportement des systèmes électroniques de haute mobilité.

Le son, une alternative à la lumière

L’intérêt pour les lasers à phonons dépasse le simple exercice de laboratoire. Contrairement aux photons, les phonons se propagent dans des milieux opaques à la lumière, comme l’eau de mer ou les tissus biologiques. Là où une fibre optique ne passe pas, une impulsion sonore quantique pourrait, en théorie, transmettre de l’information ou sonder la matière. Les applications envisagées couvrent ainsi les communications sous-marines, l’imagerie médicale non invasive et les capteurs de haute précision.

L’approche de l’équipe montréalaise se distingue d’autres travaux récents dans le domaine. Au cours des derniers mois, une équipe de l’Université de Rochester a présenté un laser à phonons dit « comprimé », capable de réduire le bruit quantique pour des mesures fines de la gravité et de l’accélération. Mais là où les chercheurs de Rochester piègent optiquement une nanoparticule, le groupe de McGill génère ses phonons par voie électrique, directement au sein d’une puce à semi-conducteurs. Deux stratégies complémentaires qui, ensemble, dessinent les contours d’une ingénierie quantique du son encore balbutiante.

Vers le graphène

Michael Hilke indique que la prochaine étape consistera à tester le dispositif avec d’autres matériaux, en premier lieu le graphène. Les propriétés électroniques de ce dernier pourraient permettre d’atteindre des régimes de vitesse plus élevés et d’amplifier l’émission de phonons. Reste à savoir si les résultats de laboratoire franchiront le seuil des applications concrètes.

« Les phonons sont difficiles à générer et à exploiter de manière contrôlée, c’est pourquoi nous explorons de nouveaux régimes« , résume le chercheur. Une prudence de physicien qui n’enlève rien à la portée de l’avancée : pour la première fois, des rafales de son quantique sont produites et modulées électriquement à la demande.