Dans l’univers captivant de la physique quantique, des chercheurs ont accompli l’exploit de refroidir une onde acoustique au sein d’une fibre optique à une température inédite. Cette prouesse pourrait constituer un lien entre la mécanique classique et la mécanique quantique, pavant ainsi la voie à des progrès notables dans le secteur des technologies quantiques
Atteindre l’état quantique fondamental d’une onde acoustique d’une certaine fréquence nécessite un refroidissement complet du système. Cela permet de réduire à presque zéro le nombre de particules quantiques, appelées phonons acoustiques, qui perturbent les mesures quantiques.
Au cours de la dernière décennie, des progrès technologiques majeurs ont permis de mettre une grande variété de systèmes dans cet état. Les vibrations mécaniques oscillant entre deux miroirs dans un résonateur peuvent être refroidies à des températures très basses, jusqu’à l’état quantique fondamental. Cependant, cela n’a pas encore été possible pour les fibres optiques dans lesquelles peuvent se propager des ondes sonores à haute fréquence.
Une avancée majeure dans le refroidissement des ondes acoustiques
Des chercheurs du groupe de recherche du Dr. Birgit Stiller ont franchi une étape importante vers cet objectif. Dans leur étude, récemment publiée dans Physical Review Letters, ils rapportent avoir réussi à abaisser la température d’une onde sonore dans une fibre optique initialement à température ambiante de 219 K grâce au refroidissement par laser, soit dix fois plus que ce qui avait été rapporté précédemment.
En fin de compte, le nombre initial de phonons a été réduit de 75%, à une température de 74 K, soit -194 degrés Celsius. Une telle réduction drastique de la température a été rendue possible par l’utilisation de la lumière laser. Le refroidissement des ondes sonores en propagation a été réalisé via l’effet optique non linéaire de la diffusion stimulée de Brillouin, dans lequel les ondes lumineuses sont efficacement couplées aux ondes sonores.
Dans le monde classique, le son peut être considéré comme une onde de densité dans un milieu. Toutefois, du point de vue de la mécanique quantique, le son peut également être décrit comme une particule : le phonon. Cette particule, le quantum de son, représente la plus petite quantité d’énergie qui se produit sous la forme d’une onde acoustique à une certaine fréquence.
Afin de voir et d’étudier des quanta uniques de son, le nombre de phonons doit être réduit au minimum. La transition entre le comportement classique et le comportement quantique du son est souvent plus facile à observer dans l’état fondamental quantique, où le nombre de phonons est proche de zéro en moyenne, de sorte que les vibrations sont presque gelées et que les effets quantiques peuvent être mesurés.
D’après le Dr. Birgit Stiller : « Cela ouvre la voie à un nouveau paysage d’expériences qui nous permettent de mieux comprendre la nature fondamentale de la matière. »
L’avantage d’utiliser un système de guide d’ondes est que la lumière et le son ne sont pas liés entre deux miroirs, mais se propagent le long du guide d’ondes. Les ondes acoustiques existent en tant que continuum – et pas seulement pour certaines fréquences – et peuvent avoir une large bande passante, ce qui les rend prometteuses pour des applications telles que les systèmes de communication à grande vitesse.
« Nous sommes très enthousiastes quant aux nouvelles perspectives qu’apportera le fait de pousser ces fibres jusqu’à l’état fondamental quantique« , souligne le chef du groupe de recherche. « Non seulement du point de vue de la recherche fondamentale, qui nous permettra de découvrir la nature quantique d’objets étendus, mais aussi en raison des applications que cela pourrait avoir dans les systèmes de communication quantique et les futures technologies quantiques« .
En synthèse
Cette réalisation marque une étape importante dans la recherche sur le refroidissement quantique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives prometteuses pour les applications à large bande dans la technologie quantique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’état quantique fondamental ?
L’état quantique fondamental, ou état de plus basse énergie, est l’état dans lequel un système quantique se trouve lorsqu’il est complètement refroidi.
Qu’est-ce que le refroidissement par laser ?
Le refroidissement par laser est une technique qui utilise la lumière laser pour refroidir les particules à des températures extrêmement basses.
Qu’est-ce que la diffusion stimulée de Brillouin ?
La diffusion stimulée de Brillouin est un effet optique non linéaire dans lequel les ondes lumineuses sont efficacement couplées aux ondes sonores.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Cette recherche pourrait avoir des applications dans le domaine des technologies quantiques, notamment pour la communication quantique et l’informatique quantique.
Quels sont les défis à relever ?
Le principal défi est de parvenir à refroidir les ondes acoustiques dans les fibres optiques jusqu’à l’état quantique fondamental.
Références
Légende illustration: « impression d’artiste d’ondes acoustiques refroidies dans un cône de fibre optique. » – Crédit : Long Huy Da
Stiller Research Group. (2024). Article : « Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves » – 10.1103/PhysRevLett.132.023603
