Des physiciens du laboratoire des basses températures de l’Université Aalto ont montré comment un oscillateur nanomécanique peut être utilisé pour la détection et l’amplification d’ondes radio faibles ou de micro-ondes.

Une mesure à l’aide d’un appareil aussi minuscule, ressemblant à une corde de guitare miniaturisée, peut être effectuée avec le moins de perturbations possible. Les résultats ont récemment été publiés dans la revue scientifique britannique Nature, la plus prestigieuse des statistiques.

Les chercheurs ont refroidi l’oscillateur nanomécanique, mille fois plus mince qu’un cheveu humain, à une basse température proche du zéro absolu à -273 degrés centigrades. Dans des conditions aussi extrêmes, même des objets de taille presque macroscopique suivent les lois de la physique quantique qui contredisent souvent le bon sens. Dans les expériences du Laboratoire à basse température, les près d’un milliard d’atomes composant le résonateur nanomécanique oscillaient à un rythme dans leur état quantique partagé.

Les scientifiques avaient fabriqué l’appareil en contact avec un résonateur à cavité supraconductrice, qui échange de l’énergie avec le résonateur nanomécanique. Cela a permis d’amplifier leur mouvement de résonance. C’est très similaire à ce qui se passe dans une guitare, où la corde et la chambre d’écho résonnent à la même fréquence. Au lieu que le musicien joue la corde de la guitare, la source d’énergie était fournie par un laser à micro-ondes.

Les micro-ondes sont amplifiées par l’interaction des oscillations quantiques
Des chercheurs du Laboratoire des basses températures de l’Université Aalto ont montré comment détecter et amplifier les signaux électromagnétiques presque sans bruit à l’aide d’une corde de guitare semblable à une corde de guitare. Dans le cas idéal, la méthode n’ajoute que la quantité minimale de bruit requise par la mécanique quantique.

Les amplificateurs à transistors à semi-conducteurs actuellement utilisés sont des dispositifs compliqués et bruyants, et fonctionnent loin d’une limite de perturbation fondamentale fixée par la physique quantique. Les scientifiques du Laboratoire à basse température ont montré qu’en tirant parti du mouvement de résonance quantique, le rayonnement micro-ondes injecté peut être amplifié avec peu de perturbations. Le principe permet donc de détecter des signaux beaucoup plus faibles que d’habitude.

Toute méthode ou appareil de mesure ajoute toujours une certaine perturbation. Idéalement, tout le bruit est dû aux fluctuations du vide prédites par la mécanique quantique. En théorie, notre principe atteint cette limite fondamentale. Dans l’expérience, nous nous sommes approchés très près de cette limite, explique le Dr Francesco Massel.
La découverte était en fait assez inattendue. Notre objectif était de refroidir le résonateur nanomécanique jusqu’à son état fondamental quantique. Le refroidissement devrait se manifester par un affaiblissement d’un signal de sondage, ce que nous avons observé. Mais lorsque nous avons légèrement modifié la fréquence du laser à micro-ondes, nous avons vu le signal de sonde se renforcer énormément. Nous avions créé une Composants du guide d’ondes, explique Mika Sillanpää, chercheur à l’Académie, qui a planifié le projet et effectué les mesures.
Certaines applications réelles bénéficieront du meilleur amplificateur basé sur la nouvelle méthode Aalto, mais atteindre ce stade nécessite plus d’efforts de recherche. Très probablement, l’amplificateur mécanique à micro-ondes sera d’abord appliqué dans la recherche fondamentale connexe, ce qui élargira encore notre connaissance de la frontière entre le monde quotidien et le domaine quantique.

Selon Tero Heikkilä, chercheur à l’Académie, la beauté de l’amplificateur réside dans sa simplicité : il se compose de deux oscillateurs couplés. Par conséquent, la même méthode peut être réalisée dans pratiquement tous les médias. En utilisant une structure différente de la cavité, on pourrait détecter le rayonnement térahertz, ce qui serait également une application majeure.

La recherche a été menée dans le laboratoire à basse température, qui appartient à la faculté des sciences de l’Université Aalto, et fait partie du Centre d’excellence pour les phénomènes et dispositifs quantiques à basse température de l’Académie finlandaise. Les dispositifs utilisés dans les mesures ont été fabriqués par VTT Nanotechnologies et microsystèmes. La recherche a été financée par l’Académie finlandaise, le Conseil européen de la recherche ERC et l’Union européenne.