Bill Pedrini et Simon Gerber du PSI visualisent des états quantiques singuliers au SwissFEL, Cristallina; à 35 mK, plus basse mesurée par diffraction

Bill Pedrini et Simon Gerber du PSI visualisent des états quantiques singuliers au SwissFEL, Cristallina; à 35 mK, plus basse mesurée par diffraction

Une fenêtre sur un monde quantique glacé | News & Events | Paul Scherrer Institut (PSI)

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Une fenêtre sur un monde quantique glacé

Au SwissFEL – un laser à rayons X à électrons libres –, les scientifiques sont maintenant capables de visualiser les états quantiques singuliers qui n’apparaissent qu’à des températures extrêmement basses. Dans cet entretien, Bill Pedrini et Simon Gerber du Centre des sciences photoniques à l’Institut Paul Scherrer PSI, présentent deux perspectives complémentaires: l’une sur la manière dont une station expérimentale unique au monde est construite, l’autre sur la fenêtre que cette installation ouvre sur un monde quantique que l’on voit rarement.

Quelle est la température la plus basse que vous atteignez?

Simon Gerber: Récemment, nous avons mesuré 35 millikelvins, soit à peine 35 millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. C’est la température la plus basse que l’on puisse actuellement atteindre dans notre dispositif expérimental et, à notre connaissance, la plus basse à laquelle des mesures n’aient jamais été effectuées par diffusion des rayons X.

Pourquoi une température aussi basse?

Simon Gerber: De nombreux états quantiques n’apparaissent qu’à très basse température. Notre objectif est d’utiliser le SwissFEL pour obtenir des images de ces états quantiques et de leur dynamique aussi près que possible du zéro absolu (température). C’est quelque chose que personne n’a encore jamais fait.

Simon Gerber: L’inspiration vient d’expériences menées avec des rayons X dans le domaine de la biologie structurale, un principe appelé «diffraction avant destruction» que l’on pourrait traduire par «mesure avant destruction». Quand nous menons des expériences avec les rayons X, nous sommes certains que l’échantillon va chauffer et subir des dommages provoqués par les rayonnements. Mais le laser à rayons X à électrons libres (FEL) effectue les mesures à une vitesse incroyablement élevée. Les impulsions sont extrêmement intenses, mais elles ne durent que quelques dizaines de femtosecondes, voire moins. On peut donc prendre un instantané avant que la «destruction» ne se produise. Nous nous sommes dit que si cela fonctionnait si bien en biologie, nous pourrions peut-être transposer ce concept aux états quantiques.

Bill Pedrini: Un FEL agit comme une caméra ultrarapide dans le monde atomique. Notre idée est la suivante: l’obturateur du SwissFEL est fermé, l’échantillon est aussi froid que possible, puis… «hop!», une impulsion lumineuse intense nous permet de capturer un instantané de l’état quantique avant que les rayons X ne le fassent disparaître en le réchauffant.

Chercheur titulaire au Centre des sciences des photons du PSI, Bill Pedrini est responsable de la station expérimentale Cristallina. Impliqué dès les premières étapes de la planification du SwissFEL, il développe Cristallina depuis 2019.

Est-il possible réaliser le «film» d’un état quantique en action, en prenant des instantanés multiples?

Simon Gerber: Pas exactement, car dès que l’on effectue une mesure à l’aide d’une de ces impulsions de rayons X extrêmement intenses, l’état quantique disparaît. Mais nous pouvons étudier la dynamique en stimulant de manière cohérente des états quantiques à l’aide d’impulsions électriques ou optiques, et en observant leur évolution. De cette façon, nous contrôlons l’état du système quantique, puis nous le relevons à l’aide du FEL, par exemple lorsque des états sont commutés ou que des protocoles d’information quantique sont mis en œuvre. C’est l’un des objectifs ultimes de nos travaux.

L’expérience se déroule à la station expérimentale Cristallina du SwissFEL. J’ai cru comprendre que la configuration des lieux était très particulière.

Simon Gerber: En effet. Le cryostat, que nous utilisons pour refroidir les échantillons à des températures aussi basses pendant que nous les étudions avec le FEL, est unique en son genre. Nous avons commencé à envisager de mener ce type d’expériences dès 2016, dès les premiers jours du SwissFEL. Trouver comment concrétiser ce projet a toutefois demandé un certain effort. En fin de compte, tout repose sur le travail d’équipe et n’est possible que lorsque de nombreux experts aux compétences variées œuvrent ensemble vers un même objectif.

Bill Pedrini: La partie difficile était de concevoir le cryostat et d’incorporer des fenêtres pour permettre aux rayons X d’y entrer. L’autre partie, c’est-à-dire la mise en place de la ligne de lumière et l’infrastructure expérimentale, était également compliquée. Nous avons toutefois énormément pu profiter de la technologie éprouvée et de l’expertise concentrée ici au PSI.

Pouvez-vous nous en dire plus au sujet de votre première mesure?

Simon Gerber: Oui. Nous avons étudié un matériau présentant un type de magnétisme inhabituel – un matériau antiferromagnétique quantique. Il avait déjà été étudié il y a de cela plusieurs années à la Source de Neutrons de Spallation Suisse SINQ du PSI. Il s’agissait donc d’une expérience de validation de principe idéale, s’appuyant sur les bases établies grâce à la diffusion neutronique.

Bill Pedrini: Dans ce matériau, l’état antiferromagnétique n’apparaît qu’en dessous de quelques centaines de millikelvins. C’est extrêmement froid. Notre cryostat nous permettant d’atteindre une température de base de 35 millikelvins, cela ne nous laissait donc pas beaucoup de marge de manœuvre.

Simon Gerber: Lorsqu’on met au point un nouveau dispositif, la première étape consiste à en évaluer les performances. Il s’agissait là d’un test exigeant, mais réaliste. Nous savons désormais que nous pouvons atteindre ce régime d’ultra-basse température grâce au SwissFEL. C’est une période passionnante.

Simon Gerber dirige le Groupe de recherche en science quantique des photons au Centre des sciences des photons du PSI. Il est responsable du sous-projet Cristallina Quantum. Ses recherches portent sur l’utilisation d’installations telles que SwissFEL pour l’imagerie et le contrôle des systèmes quantiques.

Au-delà de la simple curiosité, pourquoi est-il important d’avoir accès à ce régime?

Bill Pedrini: Ces propriétés quantiques pourraient trouver des applications dans les technologies de demain. Nous avons conçu le dispositif expérimental de manière à pouvoir, en principe, mesurer des dispositifs quantiques réels.

Maintenant que les premières expériences sont un succès, qu’allez-vous faire?

Bill Pedrini: Nous avons déjà accueilli les premiers groupes d’utilisateurs externes et nous sommes impatients de découvrir ce que l’avenir nous réserve. Il en va d’états quantiques qui apparaissent à des températures très basses et qui ne sont pas mesurables avec d’autres techniques. Soit qu’ils sont extrêmement fragiles et qu’ils ont tendance à disparaître dès qu’on tente de les mesurer, soit qu’il n’existe que de très petits cristaux de matériau quantique, ou encore parce que l’on s’intéresse à leur dynamique, comme expliqué précédemment.

Personnellement, qu’est-ce qui vous motive à réaliser ce type d’expériences?

Simon Gerber: Ces états quantiques sont tellement insaisissables. Je trouve incroyable de disposer ici d’une caméra capable de prendre des clichés à cette température record de 35 millikelvins. L’état quantique est là et – clic – on le photographie. On le voit dans notre espace, sur nos détecteurs. C’est incroyable.

Bill Pedrini: C’est là que réside la limite de la technologie. La plupart des équipements que nous utilisons ici, à Cristallina et au SwissFEL, ne sont pas disponibles dans le commerce. Mais comme nous en avons besoin, nous les développons nous-mêmes. C’est le défi que représentent la conception de nouvelles solutions et le perfectionnement des techniques et des équipements qui me motive.

Simon Gerber: Et cela favorise le développement de technologies dont l’utilité va bien au-delà de la physique quantique …

Pouvez-vous nous en dire plus à ce sujet?

Simon Gerber: Nous menons des recherches en physique fondamentale, mais nous devons inventer des solutions techniques pour atteindre nos objectifs. Prenons l’exemple des micro-ondes que nous utilisons pour contrôler les états quantiques: cela relève de la synchronisation, et nous avons dû inventer de nouvelles méthodes pour y parvenir. La synchronisation des signaux peut avoir de nombreuses applications, et pas seulement au SwissFEL.

Nos expériences de pointe sont un catalyseur pour le développement technologique. Si nous ne repoussons pas les limites, ces technologies ne verront jamais le jour.

Qu’en est-il des retombées sur l’industrie locale?

Simon Gerber: Un exemple concret est le support en carbone, à la fois léger et rigide, destiné au cryostat. Celui-ci a été mis au point en collaboration avec une entreprise locale spécialisée dans la construction mécanique. Pour répondre à nos spécifications, cette entreprise a dû trouver le moyen d’assembler avec une grande précision de la fibre de carbone et de l’aluminium. Ce savoir-faire sera utile pour d’autres projets nécessitant à la fois une grande précision et des conceptions robustes et légères.

Bill Pedrini: Ou voyez notre sol. La station expérimentale Cristallina est conçue pour être polyvalente: outre les expériences quantiques, elle sert à étudier les protéines. Cette polyvalence nécessite de déplacer avec précision et sans provoquer de chocs des installations expérimentales pesant plusieurs tonnes. Notre solution consiste à disposer d’un sol en granit ultraplat et extrêmement lisse, sur lequel les instruments flottent grâce à des coussins d’air. Le niveau de précision exigé de l’industrie locale dans ce domaine s’avère utile dans de nombreux autres contextes, tant en Suisse qu’à l’étranger.

Texte: Institut Paul Scherrer PSI

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Dr Simon Gerber PSI Center for Photon Science Institut Paul Scherrer PSI

simon.gerber@psi.ch +41 56 310 39 65 [Allemand, anglais]

Dr Bill Pedrini PSI Center for Photon Science Institut Paul Scherrer PSI

bill.pedrini@psi.ch +41 56 310 33 71 [Allemand, anglais, italien]

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