La mécanique quantique nous dit qu’une particule ne peut jamais être parfaitement immobile. Mais avec quelle précision peut-elle être orientée ? Une équipe de recherche de l’Université de Vienne, avec des collègues de l’Université technique de Vienne et de l’Université d’Ulm, a maintenant refroidi le mouvement rotationnel d’un nanorotor de silice lévité jusqu’à son état fondamental quantique dans deux degrés de liberté orientationnels.
Comme le rapporte Nature Physics, ils montrent comment un refroidissement optique confine l’orientation de la nanoparticule dans les limites des fluctuations quantiques du point zéro, l’incertitude orientationnelle inévitable imposée par le principe d’incertitude de Heisenberg. Un alignement ainsi limité par la quantique est une étape importante vers l’interférométrie de matière en rotation et la détection ultra-sensible de couples quantiques.
Rotation à la limite quantique
Dans notre monde quotidien, les petites particules sont toujours agitées et tournent avec une énergie thermique, et la température est une mesure de ce mouvement. Alors que la physique classique suggère qu’il devrait être possible de refroidir les particules jusqu’à l’immobilité et une orientation parfaite, la mécanique quantique prédit que chaque particule maintiendra toujours une énergie finie et sera toujours intrinsèquement quelque peu désorientée, même lorsqu’elle est piégée à la température du zéro absolu.
Lorsque des nanoparticules de silice sont piégées par de la lumière laser focalisée dans un ultra-vide, elles deviennent des oscillateurs harmoniques presque parfaitement isolés, oscillant à la fois dans leur centre de masse et dans leur mouvement angulaire, réalisant simultanément un pendule linéaire et torsionnel parfait.
Lorsqu’elles sont refroidies à moins d’un dix-millième de degré Celsius au-dessus du zéro absolu, leur énergie ne peut plus être changée de manière continue, mais par paliers discrets et quantifiés, fondamentalement limités à la base par l’état fondamental quantique – une énergie finie qu’elles maintiennent même à la température du zéro absolu. Le refroidissement jusqu’à l’état fondamental quantique avait déjà été réalisé pour des nanoparticules lévitées auparavant, par exemple par l’équipe d’Uroš Delić et Markus Aspelmeyer à l’Université de Vienne (Science 2020). Refroidir le mouvement rotationnel s’est avéré plus difficile et n’a jusqu’à présent été réalisé qu’en une seule dimension par l’équipe de Lukas Novotny à l’ETH Zürich (Nat. Phys. 2025).
Dans les nouvelles expériences, dirigées par Markus Arndt (Université de Vienne), Uroš Delić (Université technique de Vienne) et Benjamin Stickler (Université d’Ulm), un rotor en haltère nano, composé de deux sphères de silice de 150 nm de diamètre, est piégé et orienté par le champ électrique du laser comme par un ressort invisible. Initialement, le rotor de verre piégé présente encore des oscillations angulaires thermiques, appelées libration. Le refroidissement optique réduit sa température à quelques dizaines de microkelvins au-dessus du zéro absolu, où la quantification de l’énergie devient pertinente et la particule est refroidie à la plus basse de ces énergies, l’état fondamental quantique. En le faisant selon deux axes, la nouvelle étude est la première à réaliser un alignement limité quantiquement de l’orientation du rotor, où sa direction reste fondamentalement incertaine avec environ 20 µrad.
Stephan Troyer, premier auteur de l’étude, explique : « L’extrémité du rotor se déplace alors de moins d’un centième du diamètre d’un seul atome. C’est comme une aiguille de boussole orientée à mieux que la largeur d’une bactérie ».
Une nouvelle fenêtre sur le monde quantique
La capacité à contrôler la rotation avec une telle précision est plus qu’un record de laboratoire ; c’est une condition préalable pour une nouvelle génération de technologies quantiques. Alors que la plupart des expériences quantiques aujourd’hui utilisent des atomes, ions ou molécules uniques, ces nanorotors de silice sont massifs, composés d’environ 100 millions d’atomes et restent limités par la quantique.
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Les particules en rotation devraient offrir de nouvelles perspectives et capacités dans les futures versions de l’expérience : Après chaque tour, un rotor revient à la même orientation. Cela peut donner lieu à des effets quantiques qui n’ont pas d’analogue dans le mouvement linéaire : lorsque la lumière de piégeage est éteinte, le nanorotor peut tourner dans toutes les directions à la fois, dans une superposition quantique d’orientation. Si la particule évolue sans perturbation, son alignement initial perdra d’abord toute définition avant de se reconstituer après un temps bien défini, dans une nouvelle forme d’interférométrie de matière en rotation. Ce temps de réapparition devient accessible lorsque la taille de l’objet est réduite, à l’échelle d’un virus de la mosaïque du tabac, environ 100 fois plus léger que celui démontré dans ce travail.
Stephan Troyer souligne : « La beauté de notre méthode de refroidissement 2D est qu’elle fonctionne à toutes les échelles. Le refroidissement est plus facile pour les corps plus grands, mais en appliquant nos techniques à des structures plus petites, nous espérons pouvoir observer cette interférence quantique rotationnelle. C’est un système intéressant pour sonder l’interface entre la physique quantique et les phénomènes de notre vie quotidienne ».
La technologie ouvre aussi la voie à la détection de couples améliorée par la quantique : un nanorotor froid est un détecteur extrêmement sensible pour les couples infinitésimaux, l’équivalent rotationnel des forces minuscules.
Comment ça marche : une lumière intense peut refroidir le mouvement
Pour atteindre ces températures extrêmement basses, les chercheurs utilisent le refroidissement par diffusion cohérente. Les nanoparticules sont piégées dans une intensité lumineuse stupéfiante de 100 MW/cm² et diffusent cette lumière dans un résonateur optique. Dans ce processus, un seul photon diffusé peut emporter un seul quantum d’énergie mécanique de la rotation de la particule vers le champ du résonateur optique, refroidissant ainsi le rotor.
Article : Quantum ground-state cooling of two librational modes of a nanorotor – Journal : Nature Physics – DOI : Lien vers l’étude
Source : Université Vienna
