Un dispositif optique développé au National Institute of Science and Technology réduit la taille des dispositifs de refroidissement laser nécessaires pour refroidir les atomes à des températures cryogéniques et ralentir leurs mouvements afin qu'ils puissent être étudiés, une étape clé vers le refroidissement des atomes sur une micropuce.

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Des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont réduit la taille des composants optiques nécessaires pour refroidir les atomes à quelques millièmes de degré Celsius au-dessus du zéro absolu, les faisant passer de la taille d’une table de salle à manger à celle de une fine boîte à chaussures. Ils doivent encore avoir un dixième de cette taille pour s’adapter confortablement aux puces, mais c’est la première étape dans l’utilisation d’atomes surrefroidis dans les puces pour des horloges atomiques et des appareils de navigation plus précis indépendants du GPS, ainsi que pour simuler des dispositifs quantiques et des ordinateurs.

Le refroidissement des atomes les ralentit de leur vitesse à température ambiante proche de la vitesse du son (1125 ips) jusqu’à 0,33 ips. Cela les rend plus faciles à observer et à étudier. À température ambiante, les atomes n’ont que des interactions fugaces avec d’autres particules et ils passent très rapidement d’un niveau d’énergie à un autre. Lorsque les atomes sont ralentis, les chercheurs peuvent mesurer plus facilement leurs transitions énergétiques et d’autres propriétés quantiques avec suffisamment de précision pour les utiliser comme étalons de référence.

Les ingénieurs refroidissent les atomes en les bombardant avec un faisceau laser. Bien que les lasers dynamisent habituellement les atomes et accélèrent leur mouvement, il a été découvert il y a 20 ans qu’un laser peut les ralentir si sa fréquence et ses autres propriétés sont correctement réglées. Les photons du laser ajustés frappent les atomes et réduisent leur vitesse et leur impulsion jusqu’à ce qu’ils avancent si lentement qu’ils peuvent être capturés dans un piège magnéto-optique (MOT).

Un dispositif optique développé au National Institute of Science and Technology réduit la taille des dispositifs de refroidissement laser nécessaires pour refroidir les atomes à des températures cryogéniques et ralentir leurs mouvements afin qu’ils puissent être étudiés, une étape clé vers le refroidissement des atomes sur une micropuce.NIST

Le nouveau dispositif de refroidissement utilise une optique plane et mesure environ 6 pouces de long. Les optiques planes ou plates ont l’avantage d’être faciles à produire en série. L’appareil refroidit et piège les atomes gazeux dans un espace d’environ 0,4 po de large.

Dans le dispositif planaire, un convertisseur de mode extrême – un circuit intégré optique – augmente la largeur d’un faisceau laser de 500 nm de large par un facteur de 280. Le faisceau plus large frappe alors un film ultra-fin, ou «métasurface», qui mesure 600 nm de long et 100 nm de large. Il est recouvert de piliers qui élargissent à nouveau le faisceau, cette fois d’un facteur 100. L’élargissement du faisceau lui permet de refroidir efficacement plus d’atomes.

La métasurface et ses piliers modifient également l’intensité et la polarisation du faisceau laser (direction des vibrations). L’intensité d’un laser suit traditionnellement une courbe en forme de cloche, avec la lumière la plus brillante au centre du faisceau et la luminosité diminuant de chaque côté. Les nanopiliers NIST créent une luminosité plus uniforme sur toute la largeur du faisceau. La luminosité uniforme et la polarisation augmentent l’efficacité du faisceau pour refroidir les atomes.

Le faisceau en expansion et remodelé refroidit les atomes puis frappe un réseau de diffraction qui divise le faisceau unique en trois paires de faisceaux égaux et dirigés de manière opposée. Les faisceaux sont redirigés pour qu’ils poussent sur les atomes dans des directions opposées. Les faisceaux et le champ magnétique du MOT maintiennent les atomes refroidis piégés.

Le but du projet est de réduire davantage l’appareil de préparation au laser et de le rendre moins compliqué, afin qu’il puisse être placé sur des puces et travailler en dehors des laboratoires.

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