Plateforme de lévitation sur puce de l’équipe. a, La couche optique supérieure est constituée de deux paires orthogonales de fibres optiques monomodes clivées. L’une des paires (selon y) crée une onde stationnaire à λy = 1 550 nm, tandis que la seconde paire (selon x) crée une onde stationnaire à λx = 1 064 nm. Les distances entre les fibres sont dx = 80 μm et dy = 160 μm. Une particule (noire) est piégée à l’intersection des deux ondes stationnaires. La lumière diffusée par la particule dans les fibres, représentée par les flèches, est utilisée pour la détection de déplacement. Les quatre fibres sont positionnées au-dessus d’un ensemble d’électrodes planes utilisées pour appliquer un refroidissement par rétroaction active à la particule chargée via des forces électriques : électrodes droite et gauche pour la rétroaction selon x, électrode supérieure et inférieure pour la rétroaction selon y, et électrode centrale pour la rétroaction selon z. b, Image de la puce de lévitation montrant les électrodes planes, les quatre fibres optiques, les supports de fibres près du centre et les liaisons par fil de la puce au PCB dans les coins. c, Fibre optique positionnée dans un support mécanique fabriqué par polymérisation à deux photons et utilisé pour aligner et maintenir les fibres en place. Crédit :La nanotechnologie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3
La lévitation d’objets microscopiques dans le vide et le contrôle de leurs mouvements pendant qu’ils sont suspendus ont été démontrés pour la première fois il y a plusieurs décennies. Depuis, divers groupes de recherche travaillent sur de nouvelles approches pour contrôler des objets en lévitation dans le vide avec des degrés de liberté plus élevés.
Si la plupart des expériences menées jusqu’à présent reposaient sur des techniques optiques, certaines équipes ont récemment commencé à utiliser des plateformes expérimentales hybrides qui combinent des concepts issus de la physique atomique. Ces plateformes hybrides permettent un meilleur contrôle du mouvement des objets en lévitation, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités, comme la détection de force et de couple ou l’accélération de précision.
Des chercheurs de l’ETH Zurich ont récemment démontré la lévitation sous vide poussé d’une nanoparticule de silice sur une puce hybride photonique-électrique. Leur plateforme expérimentale proposée, décrite dans un article publié dans La nanotechnologie naturelles’est avéré permettre une lévitation robuste, une détection précise de la position et un contrôle dynamique de la nanoparticule dans le vide.
« En isolant de l’environnement et en contrôlant précisément les objets mésoscopiques, la lévitation dans le vide est devenue une technique polyvalente qui a déjà bénéficié à diverses directions scientifiques, de la détection de force et de la thermodynamique à la science des matériaux et à la chimie », ont écrit Bruno Melo, Marc T. Cuairan et leurs collègues dans leur article.
« Cela est également très prometteur pour faire progresser l’étude de la mécanique quantique dans le régime macroscopique inexploré. »
Malgré les progrès récents dans le domaine de la lévitation sous vide et du contrôle du mouvement des particules, la plupart des méthodes expérimentales introduites jusqu’à présent reposent sur des stratégies complexes et/ou des équipements encombrants. Cela limite considérablement leurs applications concrètes, les rendant impraticables pour le développement de nouvelles technologies.
Certains chercheurs ont ainsi tenté de miniaturiser des plateformes de lévitation sous vide en utilisant des pièges électrostatiques et optiques. La lévitation obtenue grâce à la plupart des approches proposées n’était cependant pas suffisamment robuste pour être appliquée à des dispositifs confinés, tels que des cryostats et des appareils portables.
Melo, Cuairan et ses collaborateurs ont présenté une nouvelle plateforme hybride photonique-électrique qui permet une lévitation robuste, la détection de position et le contrôle dynamique d’une nanoparticule sur puce. Contrairement à d’autres plateformes, leur méthode proposée ne nécessite pas de lentilles encombrantes ni d’équipement optique.
« Nous démontrons la lévitation et le contrôle du mouvement sous vide poussé d’une nanoparticule de silice à la surface d’une puce hybride optique-électrostatique », ont écrit Melo, Cuairan et leurs collègues. « En combinant le piégeage optique à base de fibres et la détection de position sensible avec l’amortissement à froid par des électrodes planes, nous refroidissons le mouvement des particules à quelques centaines de phonons. »
Lors des premiers tests, la plateforme de lévitation sous vide et de contrôle de mouvement sur puce proposée par l’équipe a obtenu des résultats remarquables, avec des rapports signal/bruit et des capacités de détection de déplacement optique comparables à ceux d’autres approches qui s’appuient sur un équipement optique volumineux. En combinant leur plateforme avec des électrodes planes pour un refroidissement par rétroaction active, les chercheurs ont également pu refroidir la nanoparticule de silice et réduire son mouvement en 3D
La nouvelle approche de lévitation sous vide et de contrôle de mouvement sur puce introduite par cette équipe de l’ETH Zurich pourrait bientôt ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche quantique et le développement technologique. Dans leurs prochaines études, Melo, Cuairan et leurs collègues prévoient de continuer à améliorer leur plateforme, par exemple en utilisant des microlentilles réfractives pour améliorer encore sa sensibilité de détection et en intégrant des éléments optiques plus sophistiqués (par exemple, des cavités à fibres).
« Nous envisageons que notre plate-forme entièrement intégrée soit le point de départ des dispositifs sur puce combinant la photonique et la nanophotonique intégrées avec des potentiels électriques conçus avec précision, améliorant le contrôle du mouvement des particules vers la préparation et la lecture d’états complexes », ont écrit Melo, Cuairan et leurs collègues.
Plus d’information:
Bruno Melo et al, Lévitation sous vide et contrôle de mouvement sur puce, La nanotechnologie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3
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Citation:La démonstration de la lévitation sous vide et du contrôle du mouvement sur une puce optique-électrostatique (2024, 2 juillet) récupéré le 2 juillet 2024 à partir de
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