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Refroidi par un laser, un miroir deviendra-t-il quantique à notre échelle ?

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Cela fait déjà un certain temps que la technique de refroidissement par laser est utilisée pour refroidir des atomes presque au zéro absolu. Pour la première fois, des chercheurs du MIT viennent de réussir à l'employer pour refroidir un objet de taille macroscopique. Ils ne sont pas loin de le refroidir suffisamment pour qu'il manifeste directement à notre échelle les effets des fluctuations quantiques.

Nergis Mavalvala, MIT Assistant Professor of Physics et Thomas Corbitt

Nergis Mavalvala, MIT Assistant Professor of Physics et Thomas Corbitt, son étudiant en thèse, viennent de publier avec des collègues de l'Albert Einstein Institut en Allemagne et du Caltech un article sur leur expérience de refroidissement par laser d'un miroir de la taille d'une pièce de monnaie. Pesant environ 1 g, celui-ci a été refroidi à une température de 0,8 K, un record pour ce genre d'expérience.

Le miroir suspendu avec des fils ultra-fins (Crédits : Donna Coveney).

Plusieurs des membres de l'équipe sont associés au détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO, où l'on utilise justement des faisceaux lasers et des miroirs. Mettant à profit leurs compétences dans ce domaine, ils ont réalisé un double système, tout à la fois de piégeage et d'amortissement optique.

Un premier laser aide à suspendre dans le vide le miroir, ce qui permet de se passer d'un support matériel comme un ressort, bien que des fils ultra-fins soient employés. En effet, pour les basses températures que l'on veut atteindre, un tel support serait une source beaucoup trop importante de chaleur en ne permettant pas une bonne isolation du miroir.
Ce laser sert aussi à amortir tous les mouvements du miroir autour de son point d'équilibre.

Un second laser, lui, se charge de dissiper la chaleur stockée sous forme de mouvements aléatoires. Ceux-ci deviennent si lents que par comparaison, un corps se déplaçant à la surface de la Terre mettrait plus longtemps que l'âge actuel de l'Univers pour en faire le tour !

Si l'on était dans un monde régit uniquement par les lois de la physique classique, il serait théoriquement possible de refroidir le miroir jusqu'au zéro absolu, en pompant toute son énergie thermique. Il serait alors, tout comme les particules le constituant, dans un état d'immobilité absolue.

Cela n'est pas compatible avec les inégalités de Heisenberg qui interdisent à un corps d'être dans un tel état, sans quoi sa position et sa vitesse seraient déterminées avec une précision infinie ! Il reste donc un état d'agitations résiduelles bien que très faible.

Le dispositif n'est pas encore suffisamment performant pour refroidir le miroir jusqu'au point où les fluctuations quantiques impliquées par les relations de Heisenberg soient visibles « macroscopiquement », mais l'expérience réalisée prouve que cela devrait être possible. Toutefois, un écart de plusieurs ordres de grandeurs sépare encore ce qui a été accompli de ce qui resterait à faire. Il faudrait abaisser la température encore d'un facteur 100 au moins, pour être précis !

Parvenir à combler un tel fossé ne sera pas évident mais Nergis Mavalvala est optimiste. Elle et son équipe ont déjà quelques idées pour y parvenir et travaillent dessus.

Il faut dire que cela en vaudrait la chandelle. On obtiendrait, avec un objet macroscopique des effets quantiques comme la génération d'états comprimés et d'états intriqués entre le miroir et la lumière laser !