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Sep 03, 2023

Le piège magnétique maintient une microsphère supraconductrice en lévitation et stable

Cela n'a peut-être pas l'air de grand-chose, mais cette minuscule particule en lévitation pourrait être la clé

Cela n'a peut-être pas l'air de grand-chose, mais cette minuscule particule en lévitation pourrait être la clé d'une nouvelle génération de capteurs quantiques. À l'aide d'un piège magnétique soigneusement conçu, des physiciens suédois et autrichiens ont réussi à faire léviter une sphère de matériau supraconducteur de 48 μm de diamètre et à la maintenir suffisamment stable pour caractériser son mouvement - une réalisation qu'ils décrivent comme une "première étape critique" vers l'utilisation de la sphère. position pour créer des états quantiques. De tels états quantiques basés sur la position pourraient avoir des applications dans plusieurs domaines, notamment la métrologie et la recherche de la mystérieuse matière noire qui représenterait 85 % de la masse de l'univers.

Pour faire léviter leur microsphère, l'équipe devait surmonter à la fois la gravité et la force attractive de van der Waals qui, autrement, maintiendrait la microsphère collée à la surface. Ils l'ont fait en construisant un piège magnétique à base de puces à partir de fils en niobium, qui devient un supraconducteur à basse température. Ce piège crée le "paysage" de champ magnétique nécessaire pour faire léviter la microsphère supraconductrice via le mécanisme connu sous le nom d'expulsion de champ à l'état de Meissner, dans lequel les courants qui surviennent dans le supraconducteur s'opposent complètement au champ magnétique externe.

"La clé de notre succès a été d'obtenir une intensité de champ magnétique suffisamment élevée pour initier la lévitation et la maintenir stable", explique le chef d'équipe Wilef Wieczorek de l'Institut de technologie Chalmers en Suède. "Pour cela, nous avons dû transporter 0,5 A de courant à une température millikelvin à travers l'installation sans chauffer l'expérience."

La lévitation est restée stable pendant plusieurs jours. Pendant ce temps, des chercheurs de Chalmers et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences ont mesuré le mouvement du centre de masse de la particule à l'aide d'un magnétomètre à dispositif d'interférence quantique supraconducteur CC intégré (SQUID). Ils l'ont fait en réglant en permanence la fréquence du potentiel de piégeage magnétique entre 30 et 160 Hz, ce qui leur a permis de caractériser l'amplitude du mouvement de la particule en fonction de ces décalages de fréquence.

Wieczorek et ses collègues affirment que leur expérience pourrait permettre de développer de meilleurs capteurs de force et d'accélération. "Notre travail est une première étape essentielle pour créer des états quantiques dans la position de la particule de la taille d'un micromètre", a déclaré Wieczorek à Physics World. "Cela ouvre la voie au couplage du mouvement de la particule à des circuits quantiques supraconducteurs, ce qui faciliterait la génération de l'état quantique du mouvement des particules."

Un capteur quantique réduit l'espace des paramètres de la matière noire

À long terme, Wieczorek dit que la plate-forme de l'équipe pourrait être développée en un capteur de force et d'accélération précis avec des applications dans les recherches de matière noire. Les instruments utilisés dans de telles recherches doivent être très sensibles pour espérer détecter les changements dus à la matière noire, qui n'interagit avec la matière normale que faiblement, via la force de gravité.

Wieczorek et ses collègues, qui rapportent leur nouvelle technique dans Physical Review Applied, disent qu'ils vont maintenant essayer de réduire l'amplitude motionnelle de leurs microsphères en améliorant plusieurs aspects techniques de leurs expériences. Cela pourrait inclure l'installation d'une isolation cryogénique passive et l'utilisation de techniques de refroidissement basées sur la rétroaction couramment utilisées dans le domaine de l'optomécanique des cavités.