SCIENCES.ENERGIES.ENVIRONNEMENT/LE MONDE SELON LA PHYSIQUE/2020WEEK 4 PART 2

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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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