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On sait refroidir un semi-conducteur par laser à -269 °C

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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.

Koji Usami montre le support de la nanomembrane semi-conductrice. Il mesure environ 1 cm de côté, tandis que la nanomembrane elle-même a une superficie de 1 mm2 environ et une épaisseur de 160 nm. © Ola J. Joensen

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 applications inattendues, comme refroidir à très basse température des atomes et des molécules ou encore, comme dernièrement, pour refroidir des solides à -118 °C.

Des chercheurs de l'Institut Niels 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 laser, 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 absolu des atomes de césium à l'état gazeux. Des physiciens 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 Newton et Maxwell.

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 gallium (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 mouvements 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 miroir au-dessus de la nanomembrane de sorte qu'une partie de la lumière 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-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 qbits. Plus généralement, plusieurs dispositifs électroniques nécessitant d'être refroidis par de l'hélium liquide pourraient à l'avenir l'être de façon simple et permanente par des faisceaux laser. On peut penser par exemple à des télescopes en orbite, comme Spitzer, qui ont une durée de vie limitée à cause de l'évaporation inexorable de leur réserve en hélium liquide.

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