Histoires de réussite

Résoudre l’énigme des propriétés quantiques

Le spécialiste en nanomécanique, John P. Davis, (à gauche), et ses étudiants, Pearse et Callum Doolin, ont développé le premier photodétecteur numérique capable de mesurer les propriétés quantiques des systèmes nanomécaniques. Leur instrument, maintenant sur le marché par l’intermédiaire de leur entreprise en démarrage, Resolved Instruments, ouvre la voie à de nouvelles occasions dans le domaine émergeant des technologies quantiques.

Dans l’univers émergeant des technologies quantiques, les chercheurs travaillent à l’échelle incroyablement minuscule des atomes solitaires et des particules, où les lois de la physique ne s’appliquent pas.

Pour John P. Davis, spécialiste en nanomécanique à l’Université de l’Alberta, ce nouveau domaine passionnant et surprenant posait un défi encore plus fondamental : Comment faire pour explorer et développer des innovations à l’échelle quantique lorsque les instruments nécessaires pour mesurer ces innovations n’existent pas encore?

Maintenant, un professeur agrégé de physique et deux de ses étudiants ont commencé à remplir ce vide. Plus tôt cette année, leur entreprise en démarrage, Resolved Instruments (resolvedinstruments.com), a commencé à vendre son premier produit, un photodétecteur numérique qui simplifie la collecte de données et qui analyse les signaux optiques. Ces mesures sont essentielles à la compréhension du comportement quantique des systèmes mécaniques à l’échelle nanométrique.

L’un des domaines de recherche du professeur Davis consiste à examiner les propriétés quantiques de résonateurs nanomécaniques minuscules : de petits appareils délicats qui mesurent le déplacement mécanique avec une sensibilité extrême. Il est possible d’obtenir ces mesures en utilisant l’optomécanique, soit une technique qui permet la saisie du mouvement mécanique et le codage dans un signal optique.

« Nous travaillons sur des tentatives d’extraction du comportement quantique de systèmes mécaniques en utilisant cette technique », a expliqué le professeur Davis. « L’objectif à long terme vise à créer de nouvelles technologies quantiques, et pour ce faire, nous avons besoin de meilleurs détecteurs de signaux optiques. »

Davis et deux de ses étudiants, les frères Pearse et Callum Doolin, ont relevé ce défi. « Ils travaillaient sur l’électronique pour fabriquer de meilleurs photodétecteurs et systèmes d’acquisition de données, et ils étaient tellement doués qu’ils ont envisagé l’entrepreneuriat comme voie à suivre. Nous avons donc fondé une entreprise. »

Leur appareil pionnier, le premier photodétecteur numérique, simplifie le processus de collecte de données. « Il prend des renseignements optiques et les transforme en signaux numériques que vous pouvez obtenir sur votre ordinateur », a affirmé le professeur Davis. « Normalement, vous auriez eu besoin d’un amplificateur et d’un numériseur, et ceux-ci sont très coûteux. Ils ont réussi à rassembler tout cela dans un petit appareil offrant le niveau de bruit le moins élevé sur le marché; ils l’ont simplifié et amélioré. »

Un bon exemple de l’applicabilité de cette technologie est en microscopie à force atomique, utilisée en recherche et en développement de nanotechnologies pour saisir et mesurer les caractéristiques de nanomatériaux. La microscopie à force atomique utilise un cantilever résonnant qui parcourt la surface en mesurant ses propriétés et ses forces. « L’une des façons les plus précises d’évaluer le mouvement du cantilever est d’y faire rebondir un laser », a expliqué le professeur Davis. « La lumière code les renseignements provenant du résonateur. Vous devez obtenir ces renseignements du signal optique en le projetant sur un photodétecteur sans ajouter beaucoup de bruit, puis transmettre ces données à un ordinateur. »

« En étant capables de mesurer avec sensibilité la mécanique des objets à l’échelle nanométrique, nous devrions pouvoir construire et fabriquer des appareils qui pourront, à des températures extrêmement faibles, manifester un comportement quantique ».

Il a déclaré que les chercheurs en milieu universitaire représentent le marché cible pour leur produit. « Ils veulent de meilleures mesures qui utilisent une technologie réelle, moderne et numérique. Il pourrait s’agir de recherches pratiques, telles que la photonique pour bâtir de nouvelles capacités de communication, ou de biologistes prenant des mesures optiques. »

Selon le professeur Davis, CMC Microsystèmes l’a aidé, ainsi que son équipe, tout au long du processus de recherche et de développement. CMC les a aidés à fabriquer les conceptions au stade précoce par l’intermédiaire des fabricants internationaux de photonique sur silicium, IMEC et Leti, jusqu’à ce que le besoin d’itérations plus rapides les mène jusqu’à l’installation nanoFAB à l’Université de l’Alberta. Aujourd’hui, ils continuent de profiter des outils de conception offerts par l’entremise de CMC, particulièrement COMSOL, qui leur permet de simuler des systèmes optiques et mécaniques. « Nous utilisons COMSOL pour concevoir et comprendre les choses que nous fabriquons au nanoFAB. »

Leur entreprise a rapidement fait son entrée sur le marché : constituée au printemps de 2016, elle a commencé à vendre son premier produit au début de 2017. « Notre produit continue à s’améliorer : je viens juste de voir une nouvelle version l’autre jour », a déclaré le professeur Davis. L’entreprise développe de nouveaux photodétecteurs et d’autres produits d’électronique numérique, en ayant pour objectif d’élargir son portefeuille de produits au cours de l’année à venir.

Selon le professeur Davis, l’entreprise continuera, simultanément, d’apprendre de sa propre ingéniosité. « L’entreprise développe des instruments pour nous aider à mesurer les choses que nous fabriquons. »

Il prévoit que les capacités offertes par les produits de Resolved ouvriront la voie vers l’avenir. « De plus en plus d’étudiants de cycle supérieur commencent à se rendre compte que la vague de technologie imminente est dotée de propriétés quantiques, soit des ordinateurs aux calculs, en passant par la cryptographie. La formation des étudiants en vue d’une industrie et d’un entrepreneuriat liés aux technologies quantiques est réellement la prochaine grande innovation. »

Crédit Photo : John Ulan, Université de l’Alberta

Août 2017

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