Comment entendre la rotation de l'invisible ✛
Imaginez une corde tendue entre deux chevilles. Le moindre effleurement la fait vibrer, et la hauteur du son révèle comment on l'a touchée. Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont tendu une corde semblable, non pas sur un instrument de musique, mais sur une membrane de silicium d'une centaine de nanomètres d'épaisseur. Seulement, au lieu d'écouter le son, ils écoutent la lumière réfléchie par un minuscule réseau gravé sur cette membrane.
Ce réseau est un motif périodique de lignes espacées d'environ 700 nanomètres, soit moins que la longueur d'onde de la lumière utilisée. Lorsqu'un faisceau laser l'atteint sous un certain angle, la lumière ne se contente pas de se réfléchir ou de traverser : elle excite dans le réseau un état particulier, la résonance de mode guidé. C'est un peu comme si la lumière « restait piégée » un instant dans la structure avant d'en ressortir. La transmission chute alors brusquement, et cette chute est très sensible à l'angle d'incidence.
Si la membrane pivote légèrement, l'angle local sous lequel la lumière rencontre le réseau change. La résonance se déplace, et l'intensité de la lumière transmise est modulée. Ainsi, un déplacement angulaire se transforme en variation de luminosité, facile à mesurer avec une photodiode. Dans l'expérience, ils ont réussi à détecter des rotations de 3 nanoradians par seconde de mesure, avec une puissance lumineuse de seulement 380 nanowatts — des milliers de fois plus faible que celle d'un pointeur laser.
Cette sensibilité a suffi pour observer l'agitation thermique d'une nanolanguette — une fine bande de nitrure de silicium oscillant autour de son axe. Son facteur de qualité, c'est-à-dire le nombre d'oscillations avant amortissement, atteignait 1,5 million. Le signal de cette agitation était visible avec un rapport signal sur bruit de 47 décibels, confirmant que la méthode fonctionne à la limite imposée par la nature quantique de la lumière.
Maintenant que la corde est tendue et qu'elle résonne, il ne reste plus qu'à l'accorder plus finement. En réduisant la largeur de la résonance et en augmentant la puissance de la lumière de sondage, on pourrait atteindre une sensibilité de 0,01 nanoradian par racine de hertz — le niveau des meilleurs leviers optiques de laboratoire. Alors deviendraient possibles des capteurs quantiques de couple, capables de ressentir une force de rotation de l'ordre du zeptonewton-mètre, ainsi que des capteurs inertiels compacts pour la navigation sans GPS. La corde qui répond à la moindre rotation pourrait devenir la base d'une nouvelle classe d'instruments.
La résonance de mode guidé dans ce travail a une largeur angulaire de 2.5 mrad – c'est comme remarquer une déviation de 2.5 mm sur un faisceau de 1 km. Et la sensibilité de 3 nrad/√Hz équivaut à mesurer l'angle sous lequel on voit un cheveu humain à 1000 km de distance.
Dans le roman « Solaris » de Stanislas Lem, l'océan réagit aux moindres perturbations et les scientifiques tentent de capter sa réponse. Ici, la nanolanguette avec son réseau capte les frissons thermiques – un pas vers des capteurs qui perçoivent l'invisible.