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Les scientifiques ouvrent la porte à la manipulation quantique de la lumière

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Les scientifiques ouvrent la porte à la manipulation quantique de la lumière
Vue d’artiste de la façon dont les photons sont liés après avoir interagi avec un atome artificiel. Crédit : Université de Bâle

Pour la première fois, des scientifiques de l’Université de Sydney et de l’Université de Bâle en Suisse ont démontré leur capacité à manipuler et à identifier de petits nombres de photons en interaction – des paquets d’énergie lumineuse – avec une corrélation élevée.

Cette réalisation sans précédent marque une étape importante dans le développement des technologies quantiques. Il a été publié aujourd’hui dans physique de la nature.

L’émission de lumière stimulée, postulée par Einstein en 1916, a été largement observée pour un grand nombre de photons et a jeté les bases de l’invention du laser. Avec cette recherche, l’émission stimulée de photons uniques a été observée.

Plus précisément, les scientifiques peuvent mesurer directement le délai entre un photon unique et une paire de photons associés diffusés à partir d’un seul point quantique, un type d’atome créé artificiellement.

Le Dr Sahand Mahmoudan, de l’École de physique de l’Université de Sydney et co-auteur principal de la recherche, a déclaré : « Cela ouvre la porte à la manipulation de ce que nous pourrions appeler la » lumière quantique « .

« Cette science fondamentale ouvre la voie à des avancées dans les techniques d’augmentation quantique et l’informatique quantique photonique », a déclaré le Dr Mahmoud.

En observant comment la lumière interagit avec la matière il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont découvert que la lumière n’est ni un faisceau de particules, ni un modèle d’onde d’énergie – mais présente les deux propriétés, connues sous le nom de dualité onde-particule.

La façon dont la lumière interagit avec la matière continue de capter l’attention des scientifiques et de l’imagination humaine, pour sa beauté théorique et sa forte application pratique.

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Qu’il s’agisse de la manière dont la lumière traverse les vastes étendues du milieu interstellaire ou de l’évolution des lasers, la recherche sur la lumière est une science vitale aux applications pratiques importantes. Sans ces fondements théoriques, pratiquement toutes les technologies modernes seraient impossibles. Pas de téléphones portables, pas de réseau de communication mondial, pas d’ordinateurs, pas de GPS, pas de photos médicales récentes.

L’un des avantages de l’utilisation de la lumière pour la communication – via des fibres optiques – est que les paquets d’énergie lumineuse, les photons, n’interagissent pas facilement les uns avec les autres. Cela crée une transmission d’informations presque sans distorsion à la vitesse de la lumière.

Cependant, nous voulons parfois que la lumière réagisse. Et là, les choses se compliquent.

Par exemple, la lumière est utilisée pour mesurer de petits changements de distance à l’aide d’instruments appelés interféromètres. Ces outils de mesure sont désormais monnaie courante, que ce soit dans l’imagerie médicale avancée, pour effectuer des tâches importantes mais peut-être plus complexes comme le contrôle de la qualité du lait, ou sous la forme d’instruments sophistiqués comme LIGO, qui a mesuré pour la première fois les ondes gravitationnelles en 2015.

Les lois de la mécanique quantique fixent des limites à la sensibilité de ces appareils.

Cette limite est fixée entre la sensibilité de la mesure et le nombre moyen de photons dans l’appareil de mesure. Pour la lumière laser classique, cela est différent de la lumière quantique.

« L’appareil que nous avons créé a créé des interactions si fortes entre les photons que nous avons pu observer la différence entre un seul photon interagissant avec lui et deux photons », a déclaré le co-auteur principal, le Dr Natasha Tom de l’Université de Bâle.

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« Nous avons remarqué qu’un photon était retardé pendant une période plus longue que deux photons. Avec cette forte interaction photon-photon, les deux photons s’enchevêtrent sous la forme d’un état dit de corrélation à deux photons. »

La lumière quantique comme celle-ci a l’avantage de pouvoir, en principe, effectuer des mesures plus sensibles avec une meilleure précision en utilisant moins de photons. Cela peut être important pour les applications en microscopie biologique lorsqu’une grande intensité lumineuse peut endommager les échantillons et où les caractéristiques à noter sont particulièrement petites.

« En démontrant notre capacité à identifier et à manipuler les états associés d’un photon, nous avons fait un premier pas essentiel vers l’exploitation de la lumière quantique pour une utilisation pratique », a déclaré le Dr Mahmouddian.

« Les prochaines étapes de mes recherches consistent à voir comment cette approche peut être utilisée pour générer des états lumineux utiles pour l’informatique quantique tolérante aux pannes, qui est poursuivie par des sociétés multimillionnaires comme PsiQuantum et Xanadu. »

Le Dr Tom a déclaré : « Cette expérience est magnifique, non seulement parce qu’elle prouve un effet fondamental – les émissions catalytiques – à sa dernière frontière, mais elle représente également un énorme pas technologique vers des applications avancées. »

« Nous pouvons appliquer les mêmes principes pour développer des dispositifs plus efficaces qui nous donnent des états liés aux photons. C’est très prometteur pour des applications dans un large éventail de domaines : de la biologie à la fabrication de pointe et au traitement de l’information quantique. »

La recherche était une collaboration entre l’Université de Bâle, l’Université Leibniz de Hanovre, l’Université de Sydney et l’Université de la Ruhr à Bochum.

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Les auteurs principaux sont le Dr Natasha Tom de l’Université de Bâle et le Dr Sahand Mahmoudan de l’Université de Sydney, où il est membre du Australian Research Council et maître de conférences.

Les atomes artificiels (points quantiques) ont été fabriqués à Bochum et utilisés dans une expérience du groupe Nanophotonique de l’Université de Bâle. Les travaux théoriques sur la découverte ont été menés par le Dr Mahmuddin de l’Université de Sydney et de l’Université Leibniz de Hanovre.

Plus d’information:
Natasha Tom, Dynamique des états liés aux photons d’un seul atome artificiel, physique de la nature (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-01997-6. www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6

Informations sur la revue :
physique de la nature


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Les biologistes sont témoins d’évolutions répétées chez les phasmes

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Les biologistes sont témoins d’évolutions répétées chez les phasmes

LOGAN, Utah, États-Unis – Il existe un débat de longue date parmi les scientifiques évolutionnistes sur ce sujet : l’évolution se produit-elle selon un schéma prévisible ou dépend-elle d’événements fortuits ? Autrement dit, si l’on pouvait remonter le temps, comme le célèbre scientifique Stephen Jay Gould (1941-2002) l’a décrit dans sa célèbre métaphore de « redémarrer la bande de la vie », la vie sur Terre se développerait-elle à nouveau de la même manière ? ? Nous le savons maintenant, ou cela serait-il très différent ?

« Si vous posez la question sous la forme d’une question soit/soit, c’est trop simpliste », déclare Zachariah Gompert, biologiste évolutionniste à l’Université d’État de l’Utah. « La réponse n’est ni « complètement aléatoire », ni « complètement déterministe et prévisible ». Cependant, en étudiant des échelles de temps courtes, nous pouvons trouver des modèles évolutifs prévisibles et reproductibles.

Gompert et ses collègues rapportent des preuves d’évolution répétée des populations de phasmes dans l’édition en ligne du 24 mai 2024 de Science Advances de l’American Association for the Advancement of Science. Les auteurs collaborateurs de cet article incluent Patrick Nossel, collaborateur de longue date de Gompert, et d’autres chercheurs de l’Université de Montpellier en France, de l’Université fédérale de São Paulo au Brésil, de l’Université du Nevada, de Reno et de l’Université de Notre Dame. La recherche est soutenue par la National Science Foundation et le Conseil européen de la recherche.

L’équipe a examiné trois décennies de données sur la fréquence des formes de motifs de couleurs cryptiques chez l’espèce de phasme Timema cristinae dans dix populations se reproduisant naturellement en Californie. T. cristinae est polymorphe en ce qui concerne la couleur et le motif du corps. Certains insectes sont verts, ce qui permet à l’insecte sans ailes et se nourrissant de plantes de se fondre dans les buissons de lilas de Californie (Ceanothus spinosus). En revanche, les formes à rayures vertes disparaissent devant les arbustes chamez (Adenostoma fasciculatum).

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Se cacher parmi les plantes est l’une des principales défenses de T. christinae, car les oiseaux affamés, comme les geais, sont des prédateurs insatiables de phasmes.

« La prédation des oiseaux est un facteur constant de formation des caractéristiques des organismes des insectes, notamment la coloration et les rayures par rapport aux rayures », explique Gompert, professeur agrégé au département de biologie de l’USU et au centre d’écologie de l’USU. « Nous avons observé des fluctuations prévisibles de la fréquence des brins à travers les populations, représentant une dynamique évolutive reproductible basée sur une variation génétique permanente. »

Il dit qu’une expérience sur le terrain montre que ces fluctuations impliquent une sélection naturelle négative dépendante de la fréquence (NFDS), où les modèles de couleurs ambigus sont plus avantageux lorsqu’ils sont rares plutôt que courants. Cela est probablement dû au fait que les oiseaux développent une « image de recherche » pour des proies très abondantes.

« Sur des échelles de temps courtes, une évolution incluant les différences existantes est tout à fait prévisible », explique Gompert, qui a reçu une subvention CAREER de la National Science Foundation en 2019 pour soutenir ses recherches. « Vous pouvez compter sur la présence constante de certains conducteurs, comme les oiseaux qui se nourrissent d’insectes. »

Mais à plus long terme, la dynamique évolutive devient moins prévisible.

« Les résidents peuvent être confrontés à un événement fortuit, comme une grave sécheresse ou une inondation, qui perturbe le statu quo et donc les résultats attendus », explique Gompert.

À long terme, dit-il, une nouvelle mutation chez cette espèce pourrait donner naissance à un trait rare. « C’est aussi proche du hasard que possible. »

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« Les choses rares se perdent facilement par hasard, il y a donc de fortes chances qu’une nouvelle mutation disparaisse avant de prendre pied », dit-il. « En fait, une autre espèce de phasme Temima qui se nourrit également de camis, soit ne présentait pas les mutations qui composent le trait cryptique des rayures, soit perdait rapidement les mutations. Ainsi, l’évolution des rayures n’est pas un résultat reproductible de l’évolution à cette longue échelle. « 

Gumpert souligne la rareté des études répétées à long terme menées sur des populations naturelles, y compris des recherches sur les célèbres pinsons de Darwin.

« Comme la plupart de ces travaux sont limités à une ou quelques populations, il est difficile de tirer des conclusions sur la redondance entre plusieurs populations évolutives indépendantes », dit-il. « Réaliser des études comme celle-ci est un défi non seulement parce qu’elles nécessitent un effort concerté, mais aussi parce qu’il ne faut pas presser le temps. »

Gompert, qui a été nommé chercheur principal par ScholarGPS, et ses collègues de l’USU ont développé un cours d’introduction à la biologie intensif et interactif pour initier les étudiants de premier cycle à la recherche. Lui et ses collègues ont également développé une présentation interactive sur l’évolution pour tous les âges, appelée « Les papillons de Nabokov », qui a été présentée au programme de sensibilisation du public scientifique Unwrapped Science de l’USC School of Science en 2022.

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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

La surface brûlante de Vénus, où les températures peuvent atteindre 480 degrés Celsius (suffisamment chaudes pour faire fondre le plomb), est un endroit inhospitalier pour les humains comme pour les machines. L’une des raisons pour lesquelles les scientifiques n’ont pas encore pu envoyer de rover à la surface de la planète est que les composants électroniques à base de silicium ne peuvent pas fonctionner à des températures extrêmes pendant une longue période.

Pour les applications à haute température telles que l’exploration de Vénus, les chercheurs se sont récemment tournés vers le nitrure de gallium, un matériau unique capable de résister à des températures de 500 degrés ou plus.

Le matériau est déjà utilisé dans certains appareils électroniques terrestres, tels que les chargeurs de téléphone et les tours de téléphonie cellulaire, mais les scientifiques ne comprennent pas bien comment les dispositifs au nitrure de gallium se comportent à des températures supérieures à 300 degrés, la limite opérationnelle de l’électronique traditionnelle au silicium.

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dans Nouvel article publié dans Lettres de physique appliquée, Dans le cadre d’un effort de recherche pluriannuel, une équipe de scientifiques du MIT et d’ailleurs a cherché à répondre à des questions clés sur les propriétés et les performances du matériau à des températures extrêmement élevées.

Ils ont étudié l’effet de la température sur les contacts ohmiques dans un dispositif au nitrure de gallium. Les contacts ohmiques sont des composants clés qui connectent un dispositif semi-conducteur au monde extérieur.

Les chercheurs ont constaté que les températures extrêmes n’entraînaient pas de dégradation significative du matériau en nitrure de gallium ou de ses contacts. Ils ont été surpris de constater que les points de contact restaient structurellement solides même lorsqu’ils étaient maintenus à 500°C pendant 48 heures.

Comprendre le fonctionnement des communications à des températures extrêmes constitue une étape importante vers le prochain objectif du groupe : développer des transistors hautes performances susceptibles de fonctionner à la surface de Vénus. De tels transistors pourraient également être utilisés sur Terre en électronique pour des applications telles que l’extraction d’énergie géothermique ou la surveillance des composants internes des moteurs à réaction.

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« Les transistors sont le cœur de la plupart des composants électroniques modernes, mais nous ne voulions pas nous lancer directement dans la fabrication d’un transistor au nitrure de gallium, car trop de choses pourraient mal tourner. Nous voulions d’abord nous assurer que les matériaux et les contacts restaient et voir à quel point ils changeaient. à mesure que la température augmentait. Étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal de cet article : « Nous concevrons notre propre transistor à partir de ces éléments de base des matériaux de base. »

Augmenter la température

Bien que le nitrure de gallium ait récemment attiré beaucoup d’attention, ce matériau est encore en retard de plusieurs décennies sur le silicium lorsqu’il s’agit de comprendre comment ses propriétés changent dans différentes conditions. L’une de ces propriétés est la résistance, qui est la circulation du courant électrique à travers un matériau.

La résistance totale de l’appareil est inversement proportionnelle à sa taille. Mais les appareils comme les semi-conducteurs ont des points de contact qui les connectent à d’autres appareils électroniques. La résistance de contact résultant de ces connexions électriques reste constante quelle que soit la taille de l’appareil. Une résistance de contact trop importante peut entraîner une dissipation de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus lentes pour les circuits électroniques.

« Surtout lorsque l’on utilise des dimensions plus petites, les performances des appareils sont souvent limitées par la résistance de contact. Les gens ont une relativement bonne compréhension de la résistance de contact à température ambiante, mais personne n’a vraiment étudié ce qui se passe lorsque la température atteint 500 degrés », explique Niroula. .

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé les installations du MIT.nano pour construire des dispositifs en nitrure de gallium appelés structures de méthode de longueur de transfert, constitués d’une série de résistances. Ces appareils leur permettent de mesurer la résistance à la fois du matériau et des contacts.

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Ils ont ajouté des contacts ohmiques à ces appareils en utilisant les deux méthodes les plus courantes. La première méthode consiste à placer le métal dans du nitrure de gallium et à le chauffer à 825 degrés Celsius pendant environ 30 secondes, un processus appelé recuit.

La deuxième méthode consiste à retirer des morceaux de nitrure de gallium et à utiliser une technologie à haute température pour faire repousser du nitrure de gallium hautement dopé à leur place, un processus dirigé par Rajan et son équipe de l’Ohio State. Un matériau hautement énergétique contient des électrons supplémentaires qui peuvent contribuer à conduire le courant.

« La méthode de repousse entraîne généralement une faible résistance de contact à température ambiante, mais nous voulions voir si ces méthodes fonctionnaient toujours bien à des températures élevées », explique Niroula.

Une approche compréhensive

Ils ont testé les appareils de deux manières. Leurs collaborateurs de l’Université Rice, dirigés par Zhao, ont effectué des tests à court terme en plaçant les appareils sur un mandrin chauffé à 500 degrés Celsius et en prenant des mesures de résistance instantanées.

Au MIT, ils ont mené des expériences à long terme en plaçant les appareils dans un four spécialisé que le groupe avait précédemment développé. Ils ont laissé les appareils à l’intérieur pendant 72 heures maximum pour mesurer l’évolution de la résistance en fonction de la température et du temps.

Des experts en microscopie du MIT (Aubrey N. Penn) et de l’Institute for Technology Innovation (Nitul S. Rajput) ont utilisé des microscopes électroniques à transmission de pointe pour voir comment ces températures élevées affectent le nitrure de gallium et les contacts ohmiques dans l’atome. niveau.

« Nous pensions que les contacts ou le matériau en nitrure de gallium lui-même se dégraderaient considérablement, mais nous avons constaté le contraire. Il semblait que les contacts établis par les deux méthodes étaient remarquablement stables », explique Niroula.

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Bien qu’il soit difficile de mesurer la résistance à des températures aussi élevées, leurs résultats indiquent que la résistance de contact semble constante même à des températures de 500 degrés, pendant environ 48 heures. Comme à température ambiante, le processus de repousse a entraîné de meilleures performances.

Le matériau a commencé à se dégrader après avoir été placé au four pendant 48 heures, mais les chercheurs travaillent déjà à améliorer ses performances à long terme. Une stratégie consiste à ajouter des isolants de protection pour empêcher le matériau d’être directement exposé à un environnement à haute température.

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’utiliser ce qu’ils ont appris lors de ces expériences pour développer des transistors au nitrure de gallium à haute température.

« Dans notre groupe, nous nous concentrons sur la recherche innovante au niveau des dispositifs pour repousser les frontières de la microélectronique, en adoptant une approche systématique à travers la hiérarchie, du niveau des matériaux au niveau des circuits. Ici, nous avons atteint le niveau physique pour comprendre les choses en profondeur. En d’autres termes, nous avons traduit les développements au niveau des appareils jusqu’à l’impact au niveau des circuits pour l’électronique à haute température, grâce à une conception, une modélisation et une fabrication complexes. Nous avons également la chance d’avoir noué des partenariats étroits avec nos collaborateurs de longue date au cours de ce voyage. .

référence: Nirula G, Shih Q, Rajput NS et al. Stabilité à haute température des contacts ohmiques régénérés alliés à l’hétérostructure AlGaN/GaN jusqu’à 500 °C. Lettres de physique appliquée. 2024;124(20):202103. est ce que je: 10.1063/5.0191297

Cet article a été republié ci-dessous Matiéres. Remarque : Le matériel peut avoir été modifié en termes de longueur et de contenu. Pour plus d’informations, veuillez contacter la source susmentionnée. Vous pouvez accéder à notre politique de communiqués de presse ici.

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La Chine dévoile une technologie de radar de météorologie spatiale

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La Chine dévoile une technologie de radar de météorologie spatiale

La Chine affirme avoir créé sa propre technologie radar pour l’aider à prédire la météo spatiale et affirme avoir réalisé des percées en cours de route.

selon Médias parrainés par l’État Les premiers résultats du système de prévision et d’alerte de météorologie spatiale ont été publiés lundi à Pékin lors d’un concours international. Atelier Du Super Double Auroral Radar Network (SuperDARN) – un réseau d’organisations qui exploitent des installations d’observation de l’espace proche de la Terre.

Le système chinois consiste en un réseau de radars à moyenne latitude et haute fréquence construits dans la province chinoise du Jilin, dans la région autonome de Mongolie intérieure et dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang. Sa construction a été achevée par le National Space Science Center (NSSC) en octobre dernier.

Le réseau est censé « permettre une détection continue à grande échelle des irrégularités ionosphériques aux latitudes moyennes et élevées dans le secteur asiatique ». Sa portée de détection du sud au nord atteint 4 000 km, et sa portée est-ouest dépasse 12 000 km, selon le Centre national pour la sécurité intérieure.

Il surveille en permanence toute anomalie dans l’ionosphère, la région de l’atmosphère terrestre qui abrite de fortes concentrations de particules chargées, ainsi que des engins spatiaux et des stations spatiales. Le gouvernement chinois a déclaré que les radars ont été rendus possibles grâce à « de nouvelles avancées dans la technologie des radars à diffusion cohérente haute fréquence ».

La technologie radar fait partie de la deuxième phase en Chine Projet Méridien – Un « méga-projet » de systèmes d’observation au sol à grande échelle.

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L’une des principales caractéristiques de l’ionosphère est sa capacité à réfléchir et à réfracter les ondes radio. Cette propriété les rend essentiels pour les communications radio longue distance et constitue la base de technologies telles que la radiodiffusion AM et les communications sur ondes courtes.

Les perturbations ionosphériques, telles que les éruptions solaires ou les tempêtes géomagnétiques, peuvent perturber les communications entre les satellites et les engins spatiaux. Ainsi, un radar qui surveille l’ionosphère est utile, étant donné la dépendance de la Chine à l’égard des ressources orbitales à la fois à des fins quotidiennes et stratégiques. Par exemple, la Chine exploite sa propre constellation de navigation par satellite.

D’autres efforts orbitaux récents incluent des atterrissages sur la Lune et des retours d’échantillons, des satellites contrôlés par l’intelligence artificielle et des bras de grappin qui pourraient être conçus pour arracher les satellites des pays rivaux de leur orbite.

L’Empire du Milieu prévoit d’effectuer environ 100 lancements rien qu’en 2024, il disposera donc bientôt de nombreux atouts ionosphériques à surveiller.

Les annonces de la Chine déclarent que sa nouvelle technologie radar « devrait rejoindre SuperDARN… et permettre l’échange et le partage de données en temps réel avec des bases de données au Royaume-Uni et au Canada ».

La coopération internationale peut profiter aux populations du monde entier. Cependant, les bulletins de Pékin ne fournissent pas de calendrier pour l’interopérabilité ou l’échange de données. Ainsi, dans l’environnement diplomatique glacial actuel, il faudra peut-être un certain temps avant que le monde ne comprenne le point de vue chinois sur la météorologie spatiale. ®

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