Refroidissement laser miniaturisant – Technoguide

C’est cool d’être petit. Des scientifiques de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont miniaturisé les composants optiques nécessaires pour refroidir les atomes à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, la première étape de leur utilisation sur des micropuces pour conduire une nouvelle génération de super-précis horloges atomiques, permettent la navigation sans GPS et simulent des systèmes quantiques.

Refroidir les atomes équivaut à les ralentir, ce qui les rend beaucoup plus faciles à étudier. À température ambiante, les atomes sifflent dans l’air à une vitesse presque égale à celle du son, soit environ 343 mètres par seconde. Les atomes rapides et en mouvement aléatoire n’ont que des interactions fugaces avec d’autres particules, et leur mouvement peut rendre difficile la mesure des transitions entre les niveaux d’énergie atomique. Lorsque les atomes ralentissent à ramper – environ 0,1 mètre par seconde – les chercheurs peuvent mesurer les transitions énergétiques des particules et d’autres propriétés quantiques avec suffisamment de précision pour les utiliser comme étalons de référence dans une myriade d’appareils de navigation et autres.

Pendant plus de deux décennies, les scientifiques ont refroidi les atomes en les bombardant de lumière laser, un exploit pour lequel le physicien du NIST Bill Phillips a partagé le prix Nobel de physique 1997. Bien que la lumière laser dynamise habituellement les atomes, les faisant se déplacer plus rapidement, si la fréquence et les autres propriétés de la lumière sont choisies avec soin, c’est le contraire qui se produit. En frappant les atomes, les photons laser réduisent la quantité de mouvement des atomes jusqu’à ce qu’ils se déplacent assez lentement pour être piégés par un champ magnétique.

Mais pour préparer la lumière laser afin qu’elle ait les propriétés de refroidir les atomes, il faut généralement un ensemble optique aussi grand qu’une table de salle à manger. C’est un problème car cela limite l’utilisation de ces atomes ultra-froids en dehors du laboratoire, où ils pourraient devenir un élément clé de capteurs de navigation, de magnétomètres et de simulations quantiques très précis.

Maintenant, le chercheur du NIST William McGehee et ses collègues ont mis au point une plate-forme optique compacte, d’environ 15 centimètres (5,9 pouces) de long, qui refroidit et piège les atomes gazeux dans une région de 1 centimètre de large. Bien que d’autres systèmes de refroidissement miniatures aient été construits, c’est le premier qui repose uniquement sur des optiques plates ou planaires, faciles à produire en masse.

«Ceci est important car cela montre une voie pour fabriquer de vrais appareils et pas seulement de petites versions d’expériences de laboratoire», a déclaré McGehee. Le nouveau système optique, bien qu’il soit encore environ 10 fois trop gros pour tenir sur une micropuce, est une étape clé vers l’utilisation d’atomes ultra-froids dans une multitude de dispositifs de navigation et quantiques compacts basés sur des puces en dehors d’un laboratoire. Des chercheurs du Joint Quantum Institute, une collaboration entre le NIST et l’Université du Maryland à College Park, ainsi que des scientifiques de l’Institut de recherche en électronique et physique appliquée de l’Université du Maryland, ont également contribué à l’étude.

L’appareil, décrit en ligne dans le New Journal of Physics, se compose de trois éléments optiques. Tout d’abord, la lumière est lancée à partir d’un circuit intégré optique à l’aide d’un dispositif appelé convertisseur de mode extrême. Le convertisseur agrandit le faisceau laser étroit, initialement d’environ 500 nanomètres (nm) de diamètre (environ cinq millièmes de l’épaisseur d’un cheveu humain), à 280 fois cette largeur. Le faisceau agrandi frappe alors un film ultra-fin soigneusement conçu, connu sous le nom de «métasurface», parsemé de minuscules piliers, d’environ 600 nm de longueur et 100 nm de largeur.

Les nanopiliers agissent pour élargir davantage le faisceau laser d’un autre facteur de 100. L’élargissement spectaculaire est nécessaire pour que le faisceau interagisse efficacement avec et refroidisse une grande collection d’atomes. De plus, en accomplissant cet exploit dans une petite région de l’espace, la métasurface miniaturise le processus de refroidissement.

La métasurface remodèle la lumière de deux autres manières importantes, en modifiant simultanément l’intensité et la polarisation (direction des vibrations) des ondes lumineuses. Habituellement, l’intensité suit une courbe en forme de cloche, dans laquelle la lumière est la plus brillante au centre du faisceau, avec une diminution progressive de chaque côté. Les chercheurs du NIST ont conçu les nanopiliers de sorte que les minuscules structures modifient l’intensité, créant un faisceau qui a une luminosité uniforme sur toute sa largeur. La luminosité uniforme permet une utilisation plus efficace de la lumière disponible. La polarisation de la lumière est également critique pour le refroidissement du laser.

Le faisceau en expansion et remodelé frappe alors un réseau de diffraction qui divise le faisceau unique en trois paires de faisceaux égaux et dirigés de manière opposée. Combinés à un champ magnétique appliqué, les quatre faisceaux, poussant sur les atomes dans des directions opposées, servent à piéger les atomes refroidis.

Chaque composant du système optique – le convertisseur, la métasurface et le réseau – avait été développé au NIST mais fonctionnait dans des laboratoires séparés sur les deux campus du NIST, à Gaithersburg, Maryland et Boulder, Colorado. McGehee et son équipe ont réuni les composants disparates pour construire le nouveau système.

«C’est la partie la plus amusante de cette histoire», dit-il. “Je connaissais tous les scientifiques du NIST qui avaient travaillé indépendamment sur ces différents composants, et j’ai réalisé que les éléments pouvaient être assemblés pour créer un système de refroidissement laser miniaturisé.”

Bien que le système optique devra être 10 fois plus petit pour refroidir au laser les atomes sur une puce, l’expérience «est la preuve de principe que cela peut être fait», a ajouté McGehee.

“En fin de compte, rendre la préparation de la lumière plus petite et moins compliquée permettra aux technologies basées sur le refroidissement laser d’exister en dehors des laboratoires”, a-t-il déclaré.

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