Des physiciens du Laboratoire des basses températures de l’Université Aalto ont montré comment un oscillateur nanomécanique peut être utilisé pour détecter et amplifier des ondes radio faibles ou des micro-ondes.

Une mesure utilisant un appareil aussi minuscule, ressemblant à une corde miniaturisée de guitare, peut être effectuée avec le moins de perturbation possible. Les résultats ont récemment été publiés dans le domaine scientifique le plus prestigieux, la revue britannique Nature.

Les chercheurs ont refroidi l’oscillateur nanomécanique, mille fois plus fin qu’un cheveu humain, jusqu’à une température basse proche du zéro absolu à -273 degrés Celsius. Dans de telles conditions 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 Low Temperature Laboratory, les près d’un milliard d’atomes composant le résonateur nanomécanique oscillaient en 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 permettait d’amplifier leur mouvement résonant. 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 guitare, la source d’énergie était fournie par un laser 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 en utilisant un fil vibrant mécanique 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 semi-conducteurs actuellement utilisés sont des dispositifs complexes et bruyants, et fonctionnent loin d’une limite fondamentale de perturbation fixée par la physique quantique. Les scientifiques du Low Temperature Laboratory ont montré qu’en tirant parti du mouvement résonant quantique, le rayonnement micro-ondes injecté peut être amplifié avec peu de perturbation. Le principe permet donc de détecter des signaux beaucoup plus faibles que d’habitude.

Toute méthode ou dispositif de mesure ajoute toujours une certaine perturbation. Idéalement, tout ce 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 réalité assez inattendue. Nous voulions refroidir le résonateur nanomécanique jusqu’à son état fondamental quantique. Le refroidissement devrait se manifester par un affaiblissement d’un signal de sonde, ce que nous avons observé. Mais lorsque nous avons légèrement modifié la fréquence du laser micro-ondes, nous avons vu le signal de sonde se renforcer énormément. Nous avions créé une limite quasi quantiqueComposants du guide d’ondes, explique Mika Sillanpää, chercheur de l’Académie, qui a planifié le projet et réalisé les mesures.
Certaines applications réelles bénéficieront d’un meilleur amplificateur basé sur la nouvelle méthode Aalto, mais atteindre ce stade nécessite plus d’efforts de recherche. Il est très probable que 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 monde quantique.

Selon le chercheur de l’Académie Tero Heikkilä, 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 pouvait détecter le rayonnement térahertz, ce qui constituerait également une application majeure.

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