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Construire de la « matière ultrafroide » atome par atome

Des physiciens de l'Institut d'Optique (Laboratoire Charles Fabry) viennent de démontrer une méthode élégante pour réaliser de manière déterministe des matrices d'atomes froids individuels, en déplaçant des atomes un par un, à l'aide d'une pince optique, jusqu'à l'obtention d'une structure choisie par l'utilisateur. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre des recherches avancées sur les technologies quantiques, qui promettent un bouleversement du traitement et du transfert de l'information.

Le domaine de l’ingénierie quantique, qui consiste à réaliser en laboratoire des systèmes artificiels très bien contrôlés et gouvernés par les lois de la mécanique quantique, est en plein développement depuis quelques années.

De nombreuses approches expérimentales sont explorées, avec des systèmes issus de la physique de la matière condensée (circuits supraconducteurs, centres colorés dans le diamant…) ou de la physique atomique (ions piégés, molécules, atomes). Les atomes neutres en particulier semblent prometteurs car ils sont très bien isolés de l'environnement, ce qui conduit à de grandes durées de cohérence.

Un prérequis pour toutes ces expériences est l'obtention d'un réseau régulier d'atomes ayant des positions bien déterminées. On peut pour cela créer ce qu'on appelle un isolant de Mott. Cependant, cette méthode est techniquement complexe, relativement lente (quelques dizaines de seconde par expérience), et peu flexible en termes de géométrie des matrices obtenues. Une alternative a récemment vu le jour : elle consiste à piéger des atomes individuels dans des pièges optiques microscopiques, aussi appelés pinces optiques. En dupliquant ces pinces grâce à des techniques holographiques, on peut ainsi créer des matrices d'atomes individuels, et ce de manière rapide et flexible. Cependant, jusqu'à présent, cette approche se heurtait à un problème fondamental : le processus de chargement des atomes est aléatoire, et chaque micropiège est chargé en moyenne avec une probabilité de 50%. Cela signifie qu'une matrice de N pièges, par exemple, ne sera entièreme nt charg ée qu'après 2N essais environ, ce qui limite l'intérêt de la méthode dès que le nombre de pièges dépasse quelques unités.

Dans une étude qui vient d'être publiée dans la revue Science, une équipe de physiciens du Laboratoire Charles Fabry (Institut d'Optique/CNRS) a résolu ce problème de manière élégante, en utilisant une pince optique mobile pour déplacer les atomes d'un piège à un autre (voir figure ci-dessous, panneau de gauche). Pour obtenir une matrice de N pièges entièrement chargée, dite matrice cible, ils partent d'une matrice de 2N pièges contenant cette matrice cible, et la chargent (aléatoirement) avec au moins N atomes, ce qui se fait très rapidement. Une image de la configuration initiale, désordonnée, est analysée par un algorithme qui détermine en temps réel une succession de mouvements permettant, en prenant des atomes dans les sites chargés de la matrice de départ et en les relâchant dans les sites vides de la matrice cible, de réarranger les atomes afin d'obtenir une matrice cible entièrement chargée. L'ensemble du processus dure moins d'un d ixième d e seconde, ce qui est court à l'échelle de la durée des expériences. Les chercheurs sont ainsi parvenus à créer des matrices entièrement remplies contenant jusqu'à une cinquantaine d'atomes, et dont la géométrie est définie à volonté par l'utilisateur (voir figure, panneau de droite). Ces résultats ouvrent des perspectives très prometteuses, par exemple pour étudier des phénomènes où la géométrie de la matrice joue un rôle crucial, ce qui est la cas dans le magnétisme quantique.

©Institut d'Optique Graduate School/Laboratoire Charles Fabry


En savoir plus :
D. Barredo, S. de Léséleuc, V. Lienhard, T. Lahaye et A. Browaeys, An atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary 2d atomic arrays, Science, First Release, Jeudi 3 novembre 2016.
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/11/02/science.aah3778

Contact chercheur :
Thierry Lahaye, chercheur CNRS (thierry.lahaye@institutoptique.fr)
Contact presse :
Kenza Cherkaoui, directrice de la communication à l'Institut d'Optique (kenza.cherkaoui@institutoptique.fr)

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