refroidissement laser

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

Un récepteur radio de la taille d'une paume peut mesurer la puissance d'un signal plus précisément que des bancs de laboratoire coûteux. À l'intérieur, pas de bobines ni d'antennes — seulement une tête en verre et un nuage d'atomes de rubidium refroidis à presque zéro absolu.

Le champ lumineux, telle une gaufrier bien réglé, imprime dans l'espace un motif régulier de zones claires et sombres. Aux points les plus lumineux, comme dans de minuscules alvéoles, les atomes se logent – on obtient un réseau optique. C'est l'outil favori des physiciens pour étudier les comportements quantiques de la matière à l'état pur.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

Un faisceau laser sait non seulement chauffer, mais aussi apaiser le mouvement. Lorsque la lumière entre dans un piège à miroirs, elle exerce une pression sur eux — et si l'on règle correctement la couleur du faisceau, cette pression se transforme en un freinage tout en douceur. C'est ainsi que l'on refroidit de minuscules oscillations mécaniques jusqu'à presque le zéro absolu.

Le Soleil est une immense chaudière où la lumière se fraye un chemin à travers une épaisse couche de matière incandescente. Sur le chemin vers la surface, les photons (particules de lumière) heurtent sans cesse les atomes et perdent de l'énergie.

Capturer une molécule isolée dans un faisceau lumineux et presque stopper son mouvement est un défi comparable à essayer de retenir un duvet de pissenlit dans un courant d'air. Une particule trop chaude s'échappe du piège, c'est pourquoi les physiciens commencent par calmer son ardeur grâce au refroidissement laser.

Le vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Si un observateur se déplace avec une accélération, le vide autour de lui se réchauffe — c'est ce qu'a prédit William Unruh dès les années 1970. L'effet ressemble au rayonnement d'un trou noir, mais en espace plat.

Un laser, ce n'est pas que de la lumière. Si l'on fait osciller une particule comme un pendule et que ces oscillations s'auto-entretiennent, on obtient un laser phononique. Cela semble compliqué, mais l'idée est simple : au lieu d'ondes lumineuses, l'appareil émet des ondes mécaniques régulières — des phonons.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Un balancier que presque rien ne peut déranger, qui ne craint ni les secousses, ni la chaleur, ni les champs magnétiques — parce qu'il est caché au cœur même de l'atome. C'est un tel balancier que des physiciens ont utilisé en mettant en marche pour la première fois une horloge nucléaire.

Un trou noir ressemble à une braise que l'on croyait capable de couver éternellement, mais qui devait finir par s'éteindre — s'évaporer sans laisser de trace.

Les minuscules aimants à l'intérieur des atomes — les spins nucléaires — peuvent « se figer » pendant de longues minutes dans un cristal froid. Cela gêne le réglage rapide des capteurs quantiques : tout met trop de temps à atteindre l'état souhaité. Des physiciens ont trouvé un moyen de les stimuler avec de la lumière.

L'ampoule ne s'allume que dans la pièce voulue. C'est à peu près le principe des médicaments photoactivables : ils ne s'« allument » que là où la lumière est dirigée, et laissent le reste du corps tranquille.

Il faut observer un flocon de neige sans le laisser fondre ni l'abîmer. C'est à peu près le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui veulent étudier des protéines individuelles, ces minuscules machines moléculaires du vivant.

Deux minuscules grains de poussière flottent au croisement de faisceaux laser. Chacun est maintenu par sa propre « pince » – un faisceau focalisé qui empêche la particule de tomber. À l'intérieur d'une cavité miroir, la lumière rebondit entre les parois, et ses oscillations sont couplées aux tremblements des grains.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

L'eau dans une tasse refroidit en quelques minutes. Le gaz dans une pièce la remplit uniformément en quelques secondes. Mais si l'on confine des atomes dans un tube de l'épaisseur d'un rayon laser et qu'on les excite vigoureusement, ils mettront plusieurs secondes à « refroidir » vers l'équilibre — une éternité à l'échelle atomique.

D'ordinaire, un laser chauffe. Pourtant, dans certains cristaux, la lumière peut emporter la chaleur — comme si une bouilloire refroidissait sous une lampe vive. Dans le diamant, ce sont les défauts qui font ce travail : des endroits où un atome d'azote remplace le carbone, avec une lacune à côté.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur qui soit, et le travailler ressemble d'ordinaire à la taille d'un bloc de pierre au marteau-piqueur : ça cogne, ça fissure, ça éclate.

Un faisceau laser régulier, c'est comme une corde tendue : si elle vibre ne serait-ce qu'un peu, la musique devient cacophonie. Dans un ordinateur quantique, le laser maintient les atomes dans un piège, et toute vibration de fréquence casse le calcul.

Un gaz est presque invisible, mais il a une température, et on peut la lire dans la façon dont il « masque » le fond thermique. Dans l'expérience, une caméra observe un écran chaud à travers un jet de dioxyde de carbone. Si le gaz est plus froid que le fond, il apparaît comme une tache sombre ; s'il est plus chaud, comme une tache claire.

Les matériaux quantiques sont comme des fleurs capricieuses : ils ne s'épanouissent que dans le froid. À température ambiante, ils cachent leurs propriétés inhabituelles, mais lorsqu'ils sont fortement refroidis, ils deviennent supraconducteurs ou changent de comportement magnétique.

Les molécules ultra-froides sont un matériau prometteur pour le calcul quantique, mais les rassembler en un réseau soigné, comme des œufs dans une boîte, n'est pas simple. Une méthode a été proposée pour charger une molécule à la fois dans des pinces optiques ou des réseaux, directement à partir d'un gaz.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

Un réfrigérateur ordinaire dans une cuisine refroidit tout à une seule température. Mais dans les laboratoires où l'on étudie les phénomènes quantiques, on a souvent besoin de deux niveaux de froid différents. Auparavant, il fallait assembler deux circuits de refroidissement séparés — encombrant et lourd.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

Au fond des cratères lunaires où le Soleil ne regarde jamais, règne un froid éternel — environ moins 240 degrés Celsius. Dans ces poches de glace, appelées régions en permanence à l'ombre, on envisage d'installer un résonateur à miroirs en silicium monolithique.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

Un ion calcium dans un piège magnétique ressemble à une bille qui tremble constamment sous l'effet de la chaleur. Pour l'immobiliser, les physiciens le bombardent généralement de lasers venant de plusieurs directions. Mais dans cette nouvelle expérience, un seul faisceau dirigé le long de l'axe du piège a suffi.

La lumière d'une ampoule ordinaire est un flux de photons individuels, comme des gouttes qui tombent d'un robinet. Mais il existe une lumière où les photons vont par paires, comme des jumeaux qui marchent ensemble. Cette lumière groupée, on souhaitait depuis longtemps l'utiliser pour mesurer des distances et photographier des objets cachés derrière un coin.

Un laser ordinaire amplifie la lumière en un faisceau intense. Si l'on inverse ce processus, on obtient un antilaser — un dispositif qui aspire la lumière sans laisser de résidu. Mais une telle machine est capricieuse : il suffit d'un léger désordre pour que l'absorption échoue. Des physiciens ont trouvé le moyen de rendre un antilaser invulnérable.

Le refroidissement met généralement de l'ordre : l'eau se fige en glace. Mais dans le monde quantique, l'ordre prend des formes inattendues. Les expérimentateurs ont refroidi des polaritons — des particules qui sont à la fois lumière et matière — presque jusqu'au zéro absolu.

Un morceau de matériau brille en bleu. On le chauffe, et la lueur devient verte, comme si quelqu'un avait actionné un feu tricolore. C'est ainsi que fonctionne le nouveau thermomètre luminescent décrit dans l'article. À l'intérieur du matériau se trouvent des ions de terbium, un métal de terre rare qui sait émettre de la lumière.

Le faisceau laser, tel un burin fin, grave l'oxygène hors du film supraconducteur. Là où l'oxygène se fait plus rare, le matériau cesse de conduire le courant sans résistance. Les scientifiques ont utilisé cette technique pour dessiner sur le film des motifs qui en modifient les propriétés.

Cinq atomes de calcium chargés flottent dans un piège, maintenus par des champs électriques. Le refroidissement laser leur retire l'excès d'énergie, et ils s'alignent en une minuscule pyramide à base carrée.

La lumière ordinaire tremble toujours un peu : sa luminosité et sa couleur oscillent, comme l'air dans un ballon gonflé après une poussée. Dans la lumière « compressée », ces oscillations sont redistribuées — comme si l'on pressait le ballon d'un côté, le rendant plus mince ici et plus épais là, mais avec un volume total identique.