Comme il m’est
arrivé jadis de travailler en
recherches avec divers
collaborateurs (P .BARBERI entre autres) en calorimétrie et microcalorimétrie CALVET j’ai trouvé utile de vous présenter ajour hui
ma traduction d’un deuxième article de PHYSICS WORLD , et comme d’habitude il s’agit
d’une ouverture bien plus large du sujet , menée en commentaire
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Quantum calorimeter is as precise as nature allows
(Marric
Stephens is a freelance science writer based in Bristol, UK)
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Un calorimètre
quantique est aussi précis que la nature le permet
30 janv 2020
Diagramme
conceptuel montrant un morceau de cuivre avec un thermomètre attaché, flottant
au-dessus d'une surface marquée par des fluctuations
Sujet
brûlant: les mesures de minuscules changements de température pourraient aider
à surveiller le fonctionnement des ordinateurs quantiques supraconducteurs. (Avec
l'aimable autorisation de Safa Hovinen, Merkitys)
Comment
définissez-vous la position de quelque chose qui ne restera pas immobile? C’est
le problème auquel les physiciens sont confrontés lorsqu’ils essaient de
mesurer les propriétés d’un système avec une telle précision que les effets
quantiques constituent alors une source importante d’incertitude. Quel que soit
la variable, et quel que soit le raffinement de l'instrument, il arrive un
moment où le signal va se perdre dans le
bruit.
Un
calorimètre quantique mis au point par des chercheurs de la faculté des
sciences de l'Université Aalto de Finlande et de l'Université de Lund, en
Suède, vient de définir cette limite
pour un thermomètre idéal en mesurant les fluctuations de la température
électronique d'un nano fil de cuivre. L'équipe a constaté que le bruit
thermique intrinsèque dans le fil est suffisamment petit pour qu'ils puissent
détecter un seul photon micro-ondes. En plus de permettre de nouvelles
expériences en thermodynamique quantique, l'appareil pourrait être utilisé pour
effectuer des mesures non invasives de systèmes quantiques tels que des qubits
dans des ordinateurs quantiques supraconducteurs.
Pour
déterminer où se situe la limite de mesure d'un thermomètre, Bayan Karimi et
ses collègues ont construit un calorimètre suffisamment sensible pour arriver à mesurer les fluctuations
énergétiques minuscules mais inévitables qui affectent chaque système plus
chaud que le zéro absolu. Le dispositif de l'équipe est constitué d'un nano fil
de cuivre de 1 µm de long et 35 nm de large, déposé sur un substrat isolant.
Une jonction tunnel à une extrémité du fil de cuivre et un contact direct à 50
nm sur toute sa longueur permettent au courant de circuler dans un circuit en
aluminium qui devient supraconducteur dans la plage de température étudiée
(environ 10-250 mK). À l'autre extrémité du fil, une deuxième jonction tunnel
permet aux chercheurs d'injecter des électrons de haute énergie afin qu'ils
puissent également étudier le système dans un état hors d'équilibre.
Parce que la
conductance d'une jonction tunnel varie avec la distribution d'énergie des
électrons, les chercheurs mesurent la tension à travers le circuit pour trouver
la température des 10^8 électrons ou plus dans le fil de cuivre. En moyenne au
fil du temps, un tracé de cette température serait une ligne lisse - plate pour
un système en équilibre, et en pente pour
un système hors d'équilibrent
Regardons de
plus près les choses cependant, et une
image différente émerge. Bien que l'énergie dans le système puisse rester
globalement la même, elle est constamment échangée entre les électrons dans le
fil de cuivre et les vibrations aléatoires du réseau dans le fil et le substrat
sous-jacent. À la fréquence d'échantillonnage de 10 kHz que Karimi et ses
collègues atteignent avec leur appareil, la part inconstante de l'énergie
détenue par les électrons se traduit par une température électronique
fluctuante. Dans les expériences hors équilibre, une source supplémentaire de
fluctuations provient des temps d'arrivée aléatoire et des énergies des
électrons injectés dans le nano fil.
Ces fluctuations
sont différentes de ce bruit instrumental que l tout métrologue ambitieux traite quotidiennement.
En isolant et en caractérisant les variations de température qui proviennent de
leur appareil expérimental, les chercheurs confirment que leurs fluctuations
mesurées électron-énergie représentent une limite fondamentale et
incontournable de la sensibilité à la température. Ils sont inhérents au
système et masquent tout changement de température inférieur à une certaine
taille.
L'équipe a
constaté que, même face à cette limite stricte de sensibilité, le niveau de
bruit est suffisamment faible pour que des changements d'énergie aussi petits
qu'un seul photon micro-ondes soient
détectés - sans perturber le système dans le processus. Comme il s'agit de la
quantité d'énergie qui sépare les états qubit dans les ordinateurs quantiques
supraconducteurs, les chercheurs pensent que leur calorimètre pourrait fourni
de ce fait r un moyen non invasif de surveiller les processus de relaxation et
de décohérence
«Le problème
est que la plupart des thermomètres à l'échelle nanométrique chauffent le
système, et donc déjà déterminer la température pourrait suffire
à détruire les délicates caractéristiques quantiques», explique
Sebastian Deffner de l'Université du Maryland, Baltimore County (UMBC) aux
États-Unis, qui n'était pas impliqué dans la projet. «Les auteurs de cet
article semblent avoir trouvé une conception intelligente qui contourne ce
problème. Si ce thermomètre est désormais utilisé par d'autres (s'il devient
l'iPhone des thermomètres quantiques), cela peut être une percée très, très
importante. »
Être capable
de repérer de tels changements de température aussi minuscules pourrait également
permettre des progrès dans la physique plus fondamentale, car il y a encore des
lacunes importantes dans notre compréhension de la relation entre l'énergie et
la mécanique quantique.
«La
thermodynamique est quelque chose qui jusqu’à présent fait largement défaut dans notre compréhension
du monde quantique», explique Jukka Pekola, qui dirige l'équipe d'Aalto. «Notre
détecteur pourrait observer les changements de chaleur et de température
déterminés par les plus petits incréments: ces à dire les quanta qui assurent l'échange
d'énergie…. Des
approches comme la thermodynamique stochastique pourraient alors être appliquées
dans le régime quantique, pour la première fois, en mesurant directement la
chaleur. »
Tous les
détails de la recherche sont rapportés dans Nature Communications.
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cond-mat
1:Observing temperature fluctuations of a mesoscopic
electron ...
by B Karimi - 2019 - R
2: Reaching the ultimate energy resolution of a quantum
detector
Bayan Karimi, Fredrik Brange, Peter Samuelsson &
Jukka P. Pekola
Nature
Communications volume 11, Article number: 367 (2020)
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Mes commentaires
Ce travail m’a
paru très intéressant !!S’ il avait été tenté il ya 20 ans quand les nano
objets étaient encore en période
d’apprentissage j’aurai crié au fou
sachant qu’un flux d’électrons en mouvement dans un conducteur classique n’est que l’équivalent d’un fluide tumultueux rencontrant N défauts structuraux centraux et les strictions par « effets de bords » etc … Je suis donc d’autant plus impressionné par
ces résultats que les auteurs
se sont limités à des photons microondes
Je les suivrai avec plaisir et une très intense
curiosité dans la suite de leur recherche