Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

Dans le monde de la physique quantique, les scientifiques construisent souvent de minuscules circuits à partir de métaux supraconducteurs pour piéger et contrôler la lumière. Ces circuits agissent comme des laboratoires miniatures où les photons, les particules de lumière, peuvent être amenés à interagir entre eux d'une manière impossible dans la nature. Pour étudier ces interactions, les chercheurs ont besoin que la lumière soit extrêmement froide, idéalement située dans son état d'énergie le plus bas. Habituellement, cela est réalisé en plaçant l'ensemble du circuit à l'intérieur d'un réfrigérateur massif qui refroidit tout jusqu'à une température juste au-dessus du zéro absolu. Cependant, cette méthode standard présente un défaut important : à mesure que le circuit se refroidit, la lumière à l'intérieur de celui-ci disparaît simplement. Les photons s'évanouissent dans le froid, laissant aux scientifiques un système vide qu'ils ne peuvent pas étudier. Cela crée un dilemme pour ceux qui tentent de simuler des matériaux quantiques complexes ou de tester de nouvelles théories, car ils ont besoin d'un système qui soit à la fois froid et rempli de lumière.

Une équipe de chercheurs de l'Université technique de Munich a proposé une méthode ingénieuse pour résoudre ce problème. Ils ont conçu une méthode pour refroidir un flux de photons micro-ondes sans forcer ces derniers à disparaître. Au lieu d'essayer de geler l'ensemble du système pour perdre la lumière, ils ont conçu un mécanisme spécifique qui agit comme une rue à sens unique pour l'énergie. En connectant une extrémité de leur ligne de transmission à un composant spécial et dissipatif, ils ont créé un processus où les photons de haute énergie sont contraints de descendre vers des niveaux d'énergie plus bas. En descendant, ils libèrent leur énergie excédentaire dans un canal de « déchet » séparé qui la dissipe rapidement dans l'environnement. Crucialement, ce processus ne détruit pas les photons ; il les déplace simplement vers un état plus calme, permettant au gaz de lumière d'atteindre une température bien inférieure à celle que le réfrigérateur lui-même peut fournir, tout en préservant le nombre total de photons.

Les chercheurs ont modélisé cette configuration à l'aide d'un long fil unidimensionnel qui supporte de nombreuses fréquences de lumière différentes. À une extrémité, ils ont attaché un dispositif non linéaire composé de boucles supraconductrices, appelé élément Josephson. Ce dispositif était piloté par un signal externe pour créer une interaction spécifique où un photon dans un mode de haute fréquence pouvait spontanément se convertir en un photon dans un mode de plus basse fréquence et un troisième photon dans le canal de déchet. Le canal de déchet a été conçu pour être très fuyant, ce qui signifie qu'il évacuerait immédiatement toute l'énergie reçue dans l'environnement environnant. Cela a créé un flux continu où les photons étaient constamment transférés d'une haute énergie vers une basse énergie, refroidissant ainsi efficacement le gaz. L'équipe a constaté que ce processus de refroidissement fabriqué entre en compétition avec la tendance naturelle du système à se réchauffer et à perdre des photons dans l'environnement. En équilibrant soigneusement ces deux forces, ils ont prédit un état stationnaire où la lumière reste dans le système mais se stabilise à une température bien plus froide que le réfrigérateur contenant le dispositif.

L'une des découvertes les plus surprenantes de leur analyse est la façon dont ce refroidissement modifie le comportement de la lumière d'une manière qui défie la physique standard. Dans un système d'équilibre normal, le refroidissement d'un gaz de lumière unidimensionnel entraîne généralement la disparition des photons. Mais dans ce scénario fabriqué, l'énergie totale du système est liée à la température de l'environnement, tandis que le nombre de photons est préservé par le mécanisme de refroidissement. Ce décalage force le système à se comporter différemment : à mesure que la lumière se refroidit, le nombre total de photons augmente en réalité pour compenser la plus faible énergie par particule. Les chercheurs ont calculé que, pour des réglages expérimentaux réalistes, cela pourrait permettre de préparer un gaz de centaines de photons micro-ondes à des températures aussi basses que quelques dixièmes de millikelvin. C'est nettement plus froid que la température de base des réfrigérateurs à dilution typiquement utilisés dans ces expériences, qui se situe généralement autour de vingt millikelvin.

L'étude a également révélé un nouveau type de transition de phase, un changement soudain de l'état du système qui ne se produit pas dans l'équilibre ordinaire. À mesure que le refroidissement devient plus efficace, les photons commencent à s'accumuler dans l'état d'énergie le plus bas, formant un condensat. Dans un système unidimensionnel standard, une telle accumulation n'est pas attendue du tout. Cependant, parce que la configuration des chercheurs préserve le nombre de photons tout en abaissant l'énergie, le système est forcé de prendre cet état condensé. L'équipe a utilisé des simulations informatiques pour montrer que cette transition est nette et distincte, la majorité des photons se rassemblant dans l'état fondamental tandis que les modes d'énergie plus élevée restent relativement vides. Ce comportement imite la formation d'un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière où les particules agissent comme une entité quantique unique, mais cela se produit dans des conditions impossibles à atteindre avec un refroidissement passif seul.

Pour s'assurer que leurs idées n'étaient pas seulement théoriques, les chercheurs ont déterminé les détails de circuit spécifiques requis pour construire ce dispositif. Ils ont décrit comment utiliser un type spécifique de boucle supraconductrice, appelé SNAIL, pour créer l'interaction non linéaire nécessaire. En appliquant un flux magnétique externe soigneusement synchronisé à cette boucle, ils pouvaient accorder l'interaction pour qu'elle résonne avec les différences de fréquences spécifiques entre les modes de lumière. Leurs calculs ont montré que même avec les imperfections et le bruit attendus dans un laboratoire réel, le système resterait stable. Ils ont noté que, bien que des effets résiduels provenant des matériaux du circuit puissent limiter les performances, le mécanisme central est suffisamment robuste pour être démontré avec la technologie actuelle. Ce travail suggère que cette approche pourrait être un outil puissant pour la simulation quantique, permettant aux scientifiques d'étudier des systèmes complexes à plusieurs corps avec la lumière dans un régime qui était auparavant inaccessible.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà du simple refroidissement de la lumière. En démontrant qu'il est possible de concevoir un réservoir qui refroidit un système sans changer le nombre de particules, les chercheurs ont ouvert une nouvelle voie pour le contrôle des états quantiques. Cela pourrait permettre la création d'états de matière stables et froids, nécessaires pour tester les théories de la gravité quantique ou simuler des matériaux exotiques. La capacité d'atteindre des températures sub-millikelvin pour un gaz de photons, tout en maintenant une haute densité de particules, résout un goulot d'étranglement de longue date dans le domaine. Les chercheurs soulignent que, bien que leurs résultats soient actuellement basés sur des modèles théoriques détaillés et des simulations, les composants requis pour construire un tel dispositif sont déjà disponibles dans les circuits supraconducteurs modernes. Cela fait de la transition de la théorie à l'expérience une question d'ingénierie plutôt que de nécessiter une nouvelle physique, offrant une voie claire et réalisable pour faire progresser les technologies quantiques.