UN ROTOR D'UN MILLIGRAMME, IMMOBILISÉ PARCE QU'ON LE REGARDE

En vingt ans, les physiciens ont appris à contrôler des objets mécaniques près de leurs limites quantiques — des résonateurs nanométriques de quelques femtogrammes aux miroirs de plusieurs kilos des détecteurs d’ondes gravitationnelles. Mais presque tous sont des oscillateurs : quelque chose, comme un ressort, les ramène au centre. Le système le plus simple de la mécanique quantique, la particule libre, que rien ne ramène, a résisté à ce contrôle. Aux basses fréquences où se joue le mouvement libre, frottements et bruit de l’environnement noient tout.

Or les masses libres sont précisément ce dont plusieurs grandes questions ont besoin : savoir si la gravité est quantique, tester des modifications proposées de la mécanique quantique, chercher de nouvelles forces à courte portée.

Un miroir au bout d’un fil de verre

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten et leurs collègues de l’Institute of Science and Technology Austria ont construit l’objet de test : une barre-miroir en silice fondue d’un milligramme, longue de 2 millimètres, suspendue à une fibre de silice fondue de 15 centimètres de long et d’un micromètre d’épaisseur, dans un vide inférieur à 10⁻¹⁰ millibar. À strictement parler, c’est un pendule de torsion qui fait un aller-retour toutes les 15 secondes. Mais sur les échelles de temps qui comptent ici, quelques dizaines de millisecondes, il ne sent presque pas ce rappel : il se comporte comme un objet libre.

Son isolement est extrême. L’équipe a mesuré les couples aléatoires qui le bousculent et n’a trouvé aucun bruit au-delà de ce que produirait un taux d’amortissement — le rythme auquel les frottements avec l’environnement épuisent son mouvement — de seulement 7 nanohertz. Utilisé comme accéléromètre, le bout de la barre serait près de cent fois plus sensible que les meilleures expériences précédentes à cette masse.

Pour l’observer, un « double levier optique » fait rebondir deux faisceaux laser sur le miroir en sens inverse : une oscillation du laser lui-même s’annule, et seule reste la rotation de la barre. Un troisième faisceau peut pousser la barre par la pression de la lumière. Le tout repose sur une plateforme d’isolation sismique, et un petit interféromètre muni de son propre miroir suspendu suit le moindre mouvement restant de cette plateforme.

La mesure à la place du piège

L’idée clé : une mesure continue peut remplacer le piège. Livrés à eux-mêmes, la position et la vitesse d’un objet libre deviennent de plus en plus incertaines. Mesuré sans arrêt, l’objet révèle sa trajectoire au fur et à mesure, et ce qu’on sait de son état se stabilise en un flou fini. Ici, ce flou se stabilise en environ 26 millisecondes.

Cette incertitude restante peut se traduire en température, par la définition classique qui relie la température aux variations d’entropie — une mesure de ce qu’on ignore d’un système. Cette « température entropique » dit avec quelle netteté on connaît le mouvement du rotor, pas à quel point le verre est froid : la barre elle-même n’est pas réfrigérée. Elle permet de comparer objets libres et oscillateurs.

L’équipe a piégé la barre avec de la lumière, l’a relâchée, puis a enregistré son angle sur 100 tranches de 1,25 seconde. Deux façons de reconstituer son état ont été comparées : une estimation « causale », qui n’utilise que les mesures passées, et une estimation « lissée », qui utilise aussi les mesures faites après. L’écart entre les deux a fourni une nouvelle façon de vérifier à quel point on connaît vraiment l’état.

140 nanokelvins

• Avec les seules données passées, l’état du rotor correspond à 1,2 microkelvin.
• Avec le lissage, il descend à 140 nanokelvins — 140 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

C’est environ deux ordres de grandeur plus froid que les expériences de table précédentes avec des objets mécaniques. Les auteurs notent que cela fait entrer ces systèmes dans le régime ultrafroid, associé jusqu’ici surtout aux nuages d’atomes refroidis par évaporation. Un refroidissement classique par rétroaction n’aurait pas pu l’atteindre.

Il existe un plancher. Pour ce niveau d’isolement, le modèle prédit que la température ne peut pas descendre sous environ 15 nanokelvins : selon le principe d’incertitude de Heisenberg, mesurer la position toujours plus finement brouille de plus en plus la vitesse de rotation.

À quoi sert une masse libre aussi calme

Deux usages viennent tout de suite. Certaines théories modifient la mécanique quantique pour que le flou quantique s’effondre spontanément, ce qui ajouterait un léger tremblement aléatoire à tout objet. L’immobilité mesurée du rotor exclut une nouvelle gamme de ces modèles à basse fréquence, complémentaire des limites posées par la mission spatiale LISA Pathfinder.

Le second usage est la gravité. La gravité peut-elle intriquer deux masses, c’est-à-dire lier leurs états quantiques au point qu’aucune ne se décrive seule ? C’est une question ouverte centrale. Selon la figure de mérite de l’équipe, deux rotors de ce type battraient déjà de près de deux ordres de grandeur tout système démontré jusqu’ici, sur le rapport entre création et perte d’intrication, tout en restant loin du but. Ajouter une modeste cavité optique pour lire la rotation, écrivent les auteurs, rendrait accessible la pureté nécessaire — la netteté avec laquelle l’état quantique du rotor est défini.