Des physiciens de l’Institut Niels Bohr au Danemark sont parvenus à refroidir un solide à l’aide d’un laser. Il ne s’agit pas du premier exemple de refroidissement optique d’un solide ni d’un record de basse température, mais la température atteinte par la nanomembrane semi-conductrice refroidie par laser est l’une des plus basses à ce jour. Cela pourrait aider à fabriquer des ordinateurs quantiques.
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Que l'on puisse refroidir un objet avec de la lumière au lieu de le réchauffer était déjà envisagé en 1929 par le physicien Pringsheim. Après la seconde guerre mondiale, le grand physicien russe Landau a montré que c'était thermodynamiquement possible et des expériences à ce sujet, notamment pour refroidir des solides, ont été rapidement faites.

Les premiers lasers ont presque 50 ans et on continue aujourd'hui à leur trouver des applicationsapplications inattendues, comme refroidir à très basse température des atomesatomes et des moléculesmolécules ou encore, comme dernièrement, pour refroidir des solides à -118 °C.

Des chercheurs de l'Institut Niels BohrNiels Bohr ont fait mieux : ils viennent d'annoncer dans un article publié dans Nature Physics, dont on peut trouver une première version sur arxiv, être parvenus à refroidir, toujours avec un laserlaser, une membrane semi-conductrice à une température d'environ -269 °C, c'est-à-dire juste au-dessus de la température du rayonnement fossile.

Voilà déjà un certain temps que des chercheurs du Quantop laboratories de l'Institut Niels Bohr utilisent des lasers pour refroidir presque au zéro absoluzéro absolu des atomes de césiumcésium à l'état gazeuxétat gazeux. Des physiciensphysiciens de ce laboratoire, tels Koji Usami, veulent utiliser leurs compétences pour sonder les frontières séparant le monde des atomes de celui des objets macroscopiques.

D'autres chercheurs avant eux ont déjà utilisé des lasers pour refroidir des objets macroscopiques et tenter de mieux comprendre ce qui se passe lorsque le monde quantique de Heisenberg et Schrödinger doit céder la place au monde classique de NewtonNewton et Maxwell.

Le faisceau laser utilisé par les chercheurs pour refroidir la nanomembrane semi-conductrice. © Ola J. Joensen

Le faisceau laser utilisé par les chercheurs pour refroidir la nanomembrane semi-conductrice. © Ola J. Joensen

Pour cela, les chercheurs de l'Institut ont eu l'idée d'utiliser une membrane semi-conductrice en arséniure de galliumgallium (GaAs). Dans un premier temps, ils ont réussi le tour de force de fabriquer une membrane épaisse de seulement 160 nm pour une surface d'environ 1 mm2. La nanomembrane a ensuite été déposée sur un support d'environ 1 cm2.

Refroidissement laser pour ordinateur quantique

Du fait des propriétés électroniques et optiques de cette membrane, un couplage optomécanique subtil devient possible entre les mouvementsmouvements d'oscillations de la surface de la membrane et un faisceau laser l'illuminant dans une chambre à vide.

Plus précisément, on fait apparaître ce couplage en installant un miroirmiroir au-dessus de la nanomembrane de sorte qu'une partie de la lumièrelumière soit réfléchie de nombreuses fois entre les deux. L'ensemble fonctionne donc comme une sorte de résonateur optomécanique et si l'on sait s'y prendre, on peut de cette manière refroidir la nanomembrane par l'intermédiaire d'un contrôle des oscillations de sa surface.

L'une des applications potentielles les plus intéressantes d'un tel résonateur optomécanique semi-conducteursemi-conducteur est probablement la réalisation d'un ordinateur quantique. Ceux que l'on réalise de nos jours doivent être refroidis à très basses températures pour éviter le processus de décohérence détruisant les effets quantiques nécessaires à des calculs avec un nombre important de qbitsqbits. Plus généralement, plusieurs dispositifs électroniques nécessitant d'être refroidis par de l'hélium liquideliquide pourraient à l'avenir l'être de façon simple et permanente par des faisceaux laser. On peut penser par exemple à des télescopestélescopes en orbiteorbite, comme Spitzer, qui ont une duréedurée de vie limitée à cause de l'évaporation inexorable de leur réserve en héliumhélium liquide.