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Nanotechnologies : vers le refroidissement quantique ?

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On sait que l'un des principaux problèmes des nanotechnologies réside dans les dégagements de chaleur. Une équipe de physiciens vient de mettre au point une technique électromécanique permettant d'exploiter des effets quantiques à grande échelle comme réfrigérant.

Schéma simplifié du dispositif expérimental

Selon la célèbre loi de Newton, pour chaque action il existe une réaction. Ce qui est vrai à l'échelle macroscopique l'est aussi d'une certaine façon dans le domaine microscopique où règne la mécanique quantique. Pour chaque mesure effectuée, il y a une perturbation de l'objet concerné. Le phénomène est connu sous le nom de « back-action ». Ainsi, en vertu du principe d'incertitude d'Heisenberg, si l'on applique un amplificateur linéaire pour observer la position d'un objet, celui-ci subira une certaine force. Mais ce phénomène ne pouvait pas être exploité jusqu'ici. L'équipe de Keith Schwab a pu mesurer cette force produite par un transistor SSET sur un résonateur radiofréquence à l'université du Maryland, en liaison avec des théoriciens des universités McGil et de Nottingham ainsi que du Dartmouth College (1) .

Le SSET (« superconducting single-electron ») a été couplé avec un faisceau atomique composé de nitrure de silicium (SiNx) qui entre en résonance et oscille un peu comme une corde de guitare. Le couplage est effectué en appliquant une tension électrique entre les deux éléments du dispositif. Tout changement dans la position du résonateur entraîne une modification de la conductivité dans le SSET. Sur ce principe, ce dernier est « l'observateur » et le résonateur est l'« observé ».

Refroidir des composants mécaniques nanométriques.

D'une part, les chercheurs ont constaté que des fluctuations de charge dans le SSET provoquent une force qui modifie la fréquence, la position et le coefficient d'atténuation du résonateur, par l'effet du phénomène de « back-action ». D'autre part, ils ont montré comment, dans ce dispositif, l'application d'une différence de potentiel à une valeur correspondant à un état d'énergie quantique des électrons dans le SSET, pouvait entraîner une chute de température de 550 m K à 300 m K dans le résonateur.

Conclusion : l'effet de "back-action" agit comme un réfrigérant. Ce qui ne manque pas d'interpeller les physiciens. Ces travaux pourraient en effet ouvrir la voie d'applications de cet effet quantique pour refroidir des composants mécaniques nanométriques du futur.

(1) "Cooling a nanomechanical resonator with quantum back-action", A. Naik, O. Buu, M. D. LaHaye, A. D. Armour, A. A. Clerk, M. P. Blencowe and K. C. Schwab, Nature 443, 193-196 (14 September 2006)

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