Faire interagir des photons avec des paires d’atome

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Crédit: Ella Maru studio

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Des physiciens de l’EPFL ont trouvé pour la première fois un moyen de faire interagir des photons avec des paires d’atomes. Cette percée est importante pour le domaine de l’électrodynamique quantique en cavité (QED), un domaine de pointe ouvrant la voie aux technologies quantiques.

Image : Une collection de paires d’atomes à l’intérieur d’une cavité optique formée par une paire de miroirs se faisant face. La lumière piégée entre les miroirs transforme les paires d’atomes en molécules de manière cohérente. Crédit : studio Ella Maru.

Il ne fait aucun doute que nous allons actuellement vers une generation de technologies basées sur la physique quantique. Mais pour y arriver, il faut d’abord maîtriser la capacité à faire interagir la lumière avec la matière - ou plus techniquement, les photons et les atomes.

Cela a déjà été atteint dans une certaine mesure dans le domaine de l’électrodynamique quantique en cavité, utilisée dans les réseaux quantiques et le traitement de l’information quantique. Néanmoins, il reste encore un long chemin à parcourir. Les interactions lumière-matière actuelles sont limitées à des atomes individuels, ce qui limite notre capacité à les étudier dans les systèmes complexes impliqués dans les technologies quantiques.

Dans un article publié dans Nature, des chercheurs du groupe de Jean-Philippe Brantut de la Faculté des sciences fondamentales de l’EPFL ont trouvé un moyen de « mélanger » des photons avec des paires d’atomes à des températures ultra-basses.

Les chercheurs ont utilisé ce qu’on appelle un gaz de Fermi, un état de la matière composé d’atomes qui ressemble à celui des électrons dans les matériaux. "En l’absence de photons, le gaz peut être préparé dans un état où les atomes interagissent très fortement les uns avec les autres, formant des paires faiblement liées", explique Brantut. « Quand la lumière est envoyée sur le gaz, certaines de ces paires sont changées en molécules chimiquement liées par absorption de photons. »

Le point clé est que cet effet se produit de manière « cohérente », c’est à dire que le photon est absorbé pour transformer une paire d’atomes en une molécule, puis réémis, puis réabsorbé plusieurs fois. "Cela implique que le système paire-photon forme un nouveau type de "particule" - techniquement une excitation - que nous appelons "polariton de paire"", explique Brantut. "Ceci est possible dans notre système, où les photons sont confinés dans une" cavité optique - une boîte fermée qui les oblige à interagir fortement avec les atomes."

Ces hybrides paire-photons héritent de certaines des propriétés des photons, ce qui signifie qu’elles peuvent être mesurées avec des méthodes optiques, mais également de certaines des propriétés du gaz, comme la proportion d’atomes appariés au moment de l’interaction avec le photon.

"Certaines propriétés très complexes du gaz sont traduites en propriétés optiques, qui peuvent être mesurées de manière directe, et même sans perturber le système", explique Brantut. "Une application possible serait en chimie quantique, puisque notre expérience démontre que certaines réactions chimiques peuvent être produites de manière cohérente à l’aide de photons uniques."

References

Hideki Konishi, Kevin Roux, Victor Helson, Jean-Philippe Brantut. Universal pair-polaritons in a strongly interacting Fermi gas. Nature 25 August 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03731-9


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