Une équipe de physiciens de l’université d’Aalto, en Finlande, a réussi à créer un condensat de Bose-Einstein de lumière couplée à des électrons métalliques (or), appelés polaritons plasmoniques de surface. La recherche est publiée en ligne dans le journal Nature Physics.
La longueur d’onde de la lumière émise augmente, c’est-à-dire que l’énergie diminue, le long du réseau de nanorobots d’or ; un condensat de Bose-Einstein se forme lorsqu’un minimum d’énergie du réseau est atteint. Crédit image : Tommi Hakala & ; Antti Paraoanu, Université d’Aalto.
Il y a près d’un siècle, Albert Einstein et Satyendra Nath Bose ont prédit que la mécanique quantique peut forcer un grand nombre de particules à se comporter de concert comme s’il ne s’agissait que d’une seule particule. Le phénomène est appelé condensation de Bose-Einstein, et il a fallu attendre 1995 pour créer le premier condensat de ce type à partir d’un gaz d’atomes alcalins.
Bien que la condensation de Bose-Einstein ait été observée dans plusieurs systèmes, les limites du phénomène doivent encore être repoussées : vers des échelles de temps plus rapides, des températures plus élevées et des tailles plus petites.
Plus la création de ces condensats devient facile, plus les voies d’accès à de nouvelles applications technologiques sont intéressantes.
Dans les expériences menées par le professeur Päivi Törmä et ses collègues de l’université d’Aalto, les particules condensées étaient des mélanges de lumière et d’électrons en mouvement dans des nanorods d’or disposés en réseau périodique.
Contrairement à la plupart des condensats de Bose-Einstein créés expérimentalement, le nouveau condensat n’a pas besoin d’être refroidi à des températures proches du zéro absolu. Comme les particules sont principalement légères, la condensation peut être induite à température ambiante.
“Le réseau de nanoparticules d’or est facile à créer avec les méthodes modernes de nanofabrication”, a déclaré le professeur Törmä.
“A proximité des nanorods, la lumière peut être focalisée dans des volumes minuscules, même en dessous de la longueur d’onde de la lumière dans le vide.”
“Ces caractéristiques offrent des perspectives intéressantes pour les études fondamentales et les applications de ce nouveau condensat.”
Le principal obstacle à l’acquisition de la preuve de ce nouveau type de condensat est qu’il se manifeste extrêmement rapidement.
“Selon nos calculs théoriques, le condensat se forme en une picoseconde seulement”, a déclaré le coauteur Antti Moilanen, doctorant à l’école des sciences de l’université d’Aalto. “Comment pourrions-nous jamais vérifier l’existence de quelque chose qui ne dure qu’un trillionième de seconde ?”.
Une idée clé était d’initier le processus de condensation avec un coup de pied afin que les particules formant le condensat commencent à se déplacer.
“Lorsque le condensat prend forme, il émet de la lumière dans tout le réseau de nanorods d’or. En observant la lumière, nous pouvons suivre l’évolution de la condensation dans le temps. C’est ainsi que nous pouvons transformer la distance en temps”, a déclaré le premier auteur, le Dr Tommi Hakala.
La lumière que le condensat émet est similaire à la lumière laser.
“Nous pouvons modifier la distance entre chaque nanorod pour contrôler si la condensation de Bose-Einstein ou la formation de lumière laser ordinaire se produit”, a expliqué le professeur Törmä.
“Les deux phénomènes sont étroitement liés, et il est crucial pour la recherche fondamentale de pouvoir les distinguer. Ils promettent également différents types d’applications technologiques.”
Le lasing et la condensation de Bose-Einstein fournissent tous deux des faisceaux lumineux, mais les cohérences de la lumière qu’ils offrent ont des propriétés différentes. Celles-ci, à leur tour, affectent la manière dont la lumière peut être réglée pour répondre aux exigences d’une application spécifique.
Le nouveau condensat de Bose-Einstein peut produire des impulsions lumineuses extrêmement courtes et pourrait offrir des vitesses plus rapides pour les applications de traitement de l’information et d’imagerie.
