Les résultats ouvrent des possibilités pour étudier les effets de la gravité sur des objets relativement grands dans des états quantiques –

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont trouvé des moyens de sur-refroidir les objets afin que leurs atomes soient presque à l’arrêt, ou dans leur “état fondamental en mouvement”. À ce jour, les physiciens ont lutté de petits objets tels que des nuages ​​de millions d’atomes, ou des objets à l’échelle du nanogramme, dans de tels états quantiques purs.

Maintenant, pour la première fois, des scientifiques du MIT et d’ailleurs ont refroidi un grand objet à l’échelle humaine jusqu’à ce qu’il se rapproche de son état fondamental en mouvement. L’objet n’est pas tangible dans le sens d’être situé à un endroit, mais c’est le mouvement combiné de quatre objets séparés, chacun pesant environ 40 kilogrammes. L’« objet » que les chercheurs ont refroidi a une masse estimée à environ 10 kilogrammes et comprend environ 1×1026, soit près d’un octillion, d’atomes.

Les chercheurs ont profité de la capacité du Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) pour mesurer le mouvement des masses avec une extrême précision et super-refroidir le mouvement collectif des masses à 77 nanokelvins, juste en deçà de l’état fondamental prédit de l’objet. de 10 nanokelvins.

Leurs résultats, publiés aujourd’hui dans La science, représentent le plus gros objet à refroidir pour se rapprocher de son état fondamental en mouvement. Les scientifiques disent qu’ils ont maintenant une chance d’observer l’effet de la gravité sur un objet quantique massif.

“Personne n’a jamais observé comment la gravité agit sur les états quantiques massifs”, déclare Vivishek Sudhir, professeur adjoint de génie mécanique au MIT, qui a dirigé le projet. “Nous avons démontré comment préparer des objets à l’échelle du kilogramme dans des états quantiques. Cela ouvre enfin la porte à une étude expérimentale de la façon dont la gravité pourrait affecter les grands objets quantiques, quelque chose dont on ne rêvait jusqu’ici que.”

Les auteurs de l’étude sont membres du laboratoire LIGO et comprennent l’auteur principal et étudiant diplômé Chris Whittle, le postdoctorant Evan Hall, la chercheuse Sheila Dwyer, doyenne de la School of Science and the Curtis et Kathleen Marble professeur d’astrophysique Nergis Mavalvala, et professeur adjoint de génie mécanique Vivishek Sudhir.

Refoulement de précision

Tous les objets incarnent une sorte de mouvement en raison des nombreuses interactions que les atomes ont, les uns avec les autres et des influences extérieures. Tout ce mouvement aléatoire se reflète dans la température d’un objet. Lorsqu’un objet est refroidi à une température proche de zéro, il a toujours un mouvement quantique résiduel, un état appelé “état fondamental en mouvement”.

Pour arrêter un objet dans son élan, on peut exercer sur lui une force égale et opposée. (Pensez à arrêter une balle de baseball en plein vol avec la force de votre gant.) Si les scientifiques peuvent mesurer avec précision l’amplitude et la direction des mouvements d’un atome, ils peuvent appliquer des forces antagonistes pour faire baisser sa température – une technique connue sous le nom de refroidissement par rétroaction .

Les physiciens ont appliqué le refroidissement par rétroaction par divers moyens, y compris la lumière laser, pour amener des atomes individuels et des objets ultralégers à leurs états fondamentaux quantiques, et ont tenté de sur-refroidir progressivement des objets de plus en plus gros, pour étudier les effets quantiques dans des systèmes plus grands et traditionnellement classiques.

“Le fait que quelque chose ait de la température reflète l’idée qu’il interagit avec les choses qui l’entourent”, explique Sudhir. “Et il est plus difficile d’isoler des objets plus gros de tout ce qui se passe autour d’eux.”

Pour refroidir les atomes d’un gros objet à un état proche du fondamental, il faudrait d’abord mesurer leur mouvement avec une extrême précision, pour connaître le degré de refoulement nécessaire pour arrêter ce mouvement. Peu d’instruments au monde peuvent atteindre une telle précision. LIGO, en l’occurrence, le peut.

L’observatoire de détection des ondes gravitationnelles comprend des interféromètres jumeaux dans des emplacements distincts aux États-Unis. Chaque interféromètre possède deux longs tunnels connectés en forme de L et s’étendant sur 4 kilomètres dans les deux sens. À chaque extrémité de chaque tunnel se trouve un miroir de 40 kilogrammes suspendu par de fines fibres, qui oscille comme un pendule en réponse à toute perturbation telle qu’une onde gravitationnelle entrante. Un laser au lien des tunnels est divisé et envoyé dans chaque tunnel, puis réfléchi vers sa source. La synchronisation des lasers de retour indique aux scientifiques de combien chaque miroir s’est déplacé, avec une précision de 1/10 000 de la largeur d’un proton.

Sudhir et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient utiliser la précision de mesure de mouvement de LIGO pour mesurer d’abord le mouvement d’objets de grande taille à l’échelle humaine, puis appliquer une force de neutralisation, opposée à ce qu’ils mesurent, pour amener les objets à leur état fondamental.

Agir en retour

L’objet qu’ils visaient à refroidir n’est pas un miroir individuel, mais plutôt le mouvement combiné des quatre miroirs de LIGO.

« LIGO est conçu pour mesurer le mouvement conjoint des quatre miroirs de 40 kilogrammes », explique Sudhir. “Il s’avère que vous pouvez cartographier mathématiquement le mouvement conjoint de ces masses et les considérer comme le mouvement d’un seul objet de 10 kilogrammes.”

Lors de la mesure du mouvement des atomes et d’autres effets quantiques, dit Sudhir, l’acte même de mesurer peut donner un coup de pied aléatoire au miroir et le mettre en mouvement – un effet quantique appelé “mesure en retour”. Lorsque les photons individuels d’un laser rebondissent sur un miroir pour recueillir des informations sur son mouvement, l’élan du photon repousse le miroir. Sudhir et ses collègues ont réalisé que si les miroirs sont mesurés en continu, comme ils le sont dans LIGO, le recul aléatoire des photons passés peut être observé dans les informations portées par les photons ultérieurs.

Armés d’un enregistrement complet des perturbations quantiques et classiques sur chaque miroir, les chercheurs ont appliqué une force égale et opposée avec des électro-aimants fixés à l’arrière de chaque miroir. L’effet a presque arrêté le mouvement collectif, laissant les miroirs avec si peu d’énergie qu’ils ne se sont déplacés que de 10 à 20 mètres, soit moins d’un millième de la taille d’un proton.

L’équipe a ensuite assimilé l’énergie restante de l’objet, ou mouvement, à la température, et a découvert que l’objet se trouvait à 77 nanokelvins, très proche de son état fondamental en mouvement, qu’ils prédisent être de 10 nanokelvins.

“C’est comparable à la température que les physiciens atomiques refroidissent leurs atomes pour atteindre leur état fondamental, et c’est avec un petit nuage de peut-être un million d’atomes, pesant des picogrammes”, explique Sudhir. “Donc, il est remarquable que vous puissiez refroidir quelque chose de tellement plus lourd, à la même température.”

“Préparer quelque chose dans l’état fondamental est souvent la première étape pour le mettre dans des états quantiques excitants ou exotiques”, explique Whittle. “Donc, ce travail est passionnant car il pourrait nous permettre d’étudier certains de ces autres états, à une échelle de masse qui n’a jamais été faite auparavant.”

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.