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Pendant des décennies, les physiciens des atomes ont utilisé la lumière laser pour ralentir les atomes dans un gaz, les refroidissant juste au-dessus du zéro absolu pour étudier leurs propriétés quantiques.

Refroidir des atomes de façon quantique

À présent, une équipe de scientifiques a réussi à refroidir un objet de la même manière, mais avec l’absence de lumière plutôt que sa présence. Cette technique, qui n’a jamais été expérimentée auparavant, pourrait un jour être utilisée pour refroidir les composants en microélectronique.
Dans une expérience de refroidissement au laser ordinaire, les physiciens projettent une lumière laser dans des directions opposées (haut, bas, gauche, droite, avant, arrière) sur une bouffée de gaz comme le rubidium. Ils accordent les lasers avec précision, de sorte que si un atome se déplace vers l’un d’eux, il absorbe un photon et reçoit une légère poussée vers le centre. Cette lumière sape l’énergie cinétique des atomes, refroidissant le gaz à de très basses températures.
Pramod Reddy, physicien appliqué à l’université du Michigan à Ann Arbor, souhaitait essayer de refroidir sans les propriétés de la lumière laser. Lui et ses collègues ont commencé avec un widget en matériau semi-conducteur que l’on trouve couramment dans les écrans vidéo: une diode électroluminescente (DEL).
Une DEL exploite un effet mécanique quantique pour transformer l’énergie électrique en lumière. Grosso modo, la DEL agit comme une petite rampe pour les électrons. Appliquez une tension dans la bonne direction et cela pousse les électrons vers le haut et sur la rampe, comme des enfants sur des planches à roulettes. Lorsque les électrons tombent sur la rampe à un état énergétique inférieur, ils émettent des photons.
Le point crucial pour cette expérience; la DEL n’émet aucune lumière lorsque la tension est inversée, car les électrons ne peuvent pas franchir la rampe dans le sens opposé. En fait, inverser la tension supprime également le rayonnement infrarouge de l’appareil – le large spectre de lumière (y compris la chaleur) que vous voyez lorsque vous regardez un objet chaud à travers des lunettes de vision nocturne.

Un réfrigérateur microscopique

Cela rend effectivement l’appareil plus froid – et cela signifie que la petite chose peut fonctionner comme un réfrigérateur microscopique, explique Reddy. Tout ce qui est nécessaire est de le placer suffisamment près d’un autre objet minuscule. «Si vous prenez un objet chaud et un objet froid, vous pouvez avoir un échange de chaleur radiatif», explique Reddy.
Pour prouver qu’ils pouvaient utiliser une DEL pour refroidir des atomes, les scientifiques ont placé un élément d’à peine quelques dizaines de nanomètres – la largeur de quelques centaines d’atomes – à l’écart d’un appareil de mesure de la chaleur appelé calorimètre. Cela était assez proche pour augmenter le transfert des photons entre les deux objets, grâce à un processus appelé « effet tunnel quantique« . Pour l’essentiel, l’écart était si petit que des photons pouvaient parfois le franchir.
La DEL plus froide a absorbé plus de photons du calorimètre qu’elle n’en a rendu, évacuant la chaleur du calorimètre et abaissant sa température d’un dix-millième de degré Celsius, rapporte Reddy et ses collègues cette semaine dans Nature. C’est un petit changement, mais étant donné la taille minuscule de la DEL, cela équivaut à un flux d’énergie de 6 watts par mètre carré.
À titre de comparaison, le soleil fournit environ 1000 watts par mètre carré. Reddy et ses collègues pensent qu’ils pourraient un jour augmenter le flux de refroidissement jusqu’à atteindre cette puissance en réduisant la taille de l’espace et en évacuant la chaleur accumulée par la DEL.

Pour refroidir la microélectronique

Cette technique ne remplacera probablement pas les techniques de réfrigération traditionnelles, ni ne sera capable de refroidir des matériaux à une température inférieure à 60 K. Cependant, elle pourrait être utilisée un jour pour refroidir la microélectronique, selon Shanhui Fan, physicien théoricien à l’Université de Stanford à Palo Alto.  en Californie, qui n’a pas participé à ces travaux.
Dans des travaux antérieurs, Fan avait utilisé une modélisation informatique pour prédire qu’une DEL pouvait avoir un effet de refroidissement considérable si elle était placée à quelques nanomètres d’un autre objet. Maintenant, dit-il, Reddy et son équipe ont réalisé cette idée de manière expérimentale.
Source : Science
Crédit photo sur Unsplash : Hal Gatewood

Un refroidisseur quantique basé sur une DELmartinPhysique
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