Réfrigérateurs quantiques : la recherche progresse

La thermodynamique et la mécanique quantiques sont deux théories distinctes de la physique. Elles ont néanmoins été associées dès la première moitié du 20e siècle, notamment dans les premiers travaux d’Albert Einstein¹. Puis, à partir de la seconde moitié du 20e siècle, quelques applications pratiques ont vu le jour, avec l’invention des masers et des lasers. Ces dispositifs étaient néanmoins de taille imposante.

Aujourd’hui, de rapides progrès dans le contrôle expérimental de petits systèmes quantiques ravivent l’intérêt pour la fusion de ces deux domaines.

C’est ainsi qu’un article publié en janvier 2019 dans Nature décrit l’expérimentation d’un réfrigérateur quantique à absorption. Ce dispositif utilise trois modes de mouvements d’ions :

• Un mode radial, représentant la partie chaude du système, et qui est en contact avec l’environnement à refroidir.
• Un mode axial, de fréquence supérieure, qui représente la température ambiante.
• Un autre mode radial « de basculement », servant de source de chaleur et entraînant le refroidissement. Il remplace le réservoir d’un réfrigérateur traditionnel.

Ces trois ions d’ytterbium ont été piégés dans une chambre de métal dont l’air a été totalement retiré. Les ions ont ensuite été manipulés à l’aide de lasers jusqu’à obtenir des conditions propices au refroidissement.

D'après les chercheurs, ce dispositif expérimental a permis un refroidissement à moins de 40 µK du zéro absolu.

Un autre article paru dans Nature en février dernier indique qu’une équipe de chercheur a, pour la première fois, réussi à effectuer un « refroidissement photonique » en l’absence de lumière. Là encore, un réfrigérateur quantique a été utilisé.

Le refroidissement photonique ne pouvait jusqu’à présent être obtenu qu’à l’aide d’un laser, et donc de lumière. Dans l’expérience reportée par Nature, c’est à l’aide d’une photodiode que le refroidissement a pu être obtenu. Celle-ci a été placée à quelques nanomètres d’un calorimètre. Un transfert de photons a pu être observé entre les deux objets, grâce à un effet tunnel. On a ainsi pu observer que la photodiode a absorbé plus de chaleur qu’elle n’en a rendue au calorimètre, abaissant sa température d’un dixième de millier de degrés Celsius, ce qui équivaut à un flux d’énergie de 6 W par m².

Ce type de techniques pourrait un jour permettre de contribuer au refroidissement des composants microélectroniques.

¹ EINSTEIN, Albert. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik. 1905, vol. 322, n.6, pp. 132-148.