L'ion qui s'est figé pendant une demi-minute express
Le point lumineux dans la chambre à vide ne s'éteint pas, même si on a cessé de l'éclairer depuis longtemps. Un ion unique d'ytterbium, piégé par des champs électriques, est resté coincé dans un état excité — comme si l'électron à l'intérieur avait oublié comment regagner sa place habituelle. D'habitude, ces états ne durent que quelques millisecondes, mais ici, on compte en secondes.
Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis ont fait absorber à l'ion d'ytterbium une lumière de longueur d'onde 377,5 nanomètres, le faisant passer dans l'un de ces états de longue durée. Pour chronométrer précisément le moment de la désintégration, ils ont maintenu à proximité un second ion refroidisseur : il absorbait l'excès de chaleur et permettait d'observer le premier sans perturbation. Il s'est avéré qu'un état vit 0,92 seconde, un autre près de 10 secondes, et un troisième, semble-t-il, plus de 30 secondes. Pour comparaison : en 30 secondes, la lumière fait huit fois le tour de la Terre.
De tels états de longue durée sont une aubaine pour les technologies quantiques. On peut les utiliser comme cellules de mémoire : écrire l'information dans l'ion sans craindre qu'elle disparaisse en un instant. Ils serviront aussi dans les horloges optiques — les instruments les plus précis qui mesurent le temps grâce aux oscillations de la lumière. Plus l'état vit longtemps, plus on peut mesurer son énergie avec précision. Peut-être que ces ions deviendront le cœur des futurs ordinateurs quantiques et des systèmes de navigation.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.04250
We study the occurrence of long-lived metastable states in the 4f$$^{13}$$5d6s electron configuration of Yb$$^+$$. By optical pumping of a single trapped ion on the $$^2F^\text{o}_{7/2}\rightarrow (7/2,0)_{7/2}$$ transition at 377.5 nm, we prepare a wide range of metastable electronic states. We use a co-trapped control ion to sympathetically cool the spectroscopy ion, allowing us to accurately time its subsequent decay. We record a strong decay signal corresponding to a lifetime of 0.92(8) s, a weaker decay signal with lifetime 9.8(+2.9, -2.0) s, and find evidence for a much longer lifetime, $$>$$ 30 s. We identify the metastable states with these lifetimes qualitatively, and corroborate our results with atomic structure calculations that support the observed lifetimes and decay paths. These long-lived states provide new opportunities in qubit and qudit state detection and optical clocks.
L'ion d'ytterbium dans le piège est visible à l'œil nu : il diffuse la lumière laser comme une minuscule étoile.
Dans la série « The Expanse », des ordinateurs quantiques à ions piégés contrôlent les vaisseaux et les stations.