Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance. La lévitation est nécessaire pour éliminer le frottement : sans lui, même une faible impulsion fait osciller l'aimant très longtemps, comme un diapason après un choc.
Mais pour des mesures fines, même ces vibrations résiduelles sont gênantes. On les élimine par une contre-réaction : une bobine supraconductrice détecte les mouvements de l'aimant, et un ordinateur, via un amplificateur, envoie un signal à un poussoir piézoélectrique. Celui-ci secoue le piège en opposition de phase — comme si, assis dans un bateau, vous vous déplaciez à contre-courant de la vague pour l'annuler. On a ainsi réussi à réduire l'amplitude des oscillations à deux picomètres — c'est cent fois plus petit que le diamètre d'un atome.
La température de mouvement est tombée en dessous de dix millikelvins. Pour comparaison : dans l'espace interstellaire, il fait plus chaud — environ trois kelvins. Tout l'expérience est enfermée dans un cryostat à dilution qui atténue les vibrations externes d'un facteur de cent milliards. À l'avenir, on espère refroidir un tel système jusqu'à la limite quantique — alors l'aimant n'oscillera qu'à cause du principe d'incertitude, et non de perturbations extérieures. Cela ouvrirait la voie à des détecteurs de gravité capables de ressentir l'attraction d'objets de la taille d'un grain de sable.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2605.28479
Due to their exceptional isolation from the environment, magnetically levitated particles are explored as extremely sensitive mechanical sensors. For future gravity experiments on quantum superpositions, such systems need to be cooled close to their ground state. To demonstrate the combination of state of the art vibration isolation, milligram levitated high Q mechanical resonators and position detection with low noise, we present linear feedback cooling of a magnetically levitated gravity sensor to below 2 picometer amplitude and below 10 millikelvin mode temperature for two translational modes (the x- and y-mode) simultaneously. The sensor is a levitating permanent magnet in a type I superconducting trap, where its six resonance frequencies are measured with a superconducting coil coupled to a DC SQUID. This signal is measured with a lock-in amplifier and a feedback signal is sent to a piezoelectric actuator, allowing the cooling of resonant modes at 50.6 and 68.0 Hz simultaneously. These two translational modes have Q factors of $$3.8 \cdot 10^6$$ and $$5.5 \cdot 10^6$$ respectively. The experiment is mounted inside a dry dilution refrigerator where it is vibrationally attenuated with 110-130 dB at these frequencies. In this work, we discuss future improvements on the setup which may enable quantum ground state cooling on a magnetically levitated particle, that has previously been shown to be a gravitational sensor.
L'amplitude des oscillations de deux picomètres est si petite que si l'aimant avait la taille de la Terre, son mouvement serait plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain.