Des physiciens de l’Université de Bonn ont observé expérimentalement une nouvelle phase, inconnue jusqu’alors, dans le condensat de Bose-Einstein de photons.
Le microrésonateur optique rempli d’une solution de colorant (jaune) ; à droite, un objectif de microscope utilisé pour observer et analyser la lumière émergeant du résonateur. Crédit image : Gregor Hübl / Université de Bonn.
Le condensat de Bose-Einstein est un gaz d’atomes si dense et si froid que leurs ondes de matière perdent leur individualité et se condensent en une “onde superatomique”.
Il a été prédit dans les années 1920 par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein et a finalement été créé en laboratoire dans les années 1990 à l’Université du Colorado Boulder, au MIT et à l’Université Rice en utilisant des techniques de refroidissement par laser et par évaporation.
En 2010, le professeur Martin Weitz de l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn et ses collègues ont créé pour la première fois un condensat de Bose-Einstein à partir de photons.
“Notre système spécial est toujours utilisé aujourd’hui : nous piégeons les particules de lumière dans un résonateur composé de deux miroirs courbes espacés d’un peu plus d’un micromètre qui réfléchissent un faisceau de lumière à va-et-vient rapide”, ont-ils déclaré.
“L’espace est rempli d’une solution liquide de colorant, qui sert à refroidir les photons”.
“Cela se fait par les molécules de colorant qui ‘avalent’ les photons et les recrachent ensuite, ce qui amène les particules de lumière à la température de la solution de colorant – équivalente à la température ambiante.”
“Le système permet de refroidir les particules de lumière en premier lieu, car leur caractéristique naturelle est de se dissoudre lorsqu’elles sont refroidies.”
Dans leurs nouvelles expériences, les physiciens ont observé une phase dite suramortie dans le condensat de Bose-Einstein de photons couplé à l’environnement.
“Les miroirs quelque peu translucides provoquent la perte et le remplacement de photons, créant un non-équilibre qui fait que le système ne prend pas une température définie et est mis en oscillation”, ont-ils expliqué.
“Cela crée une transition entre cette phase d’oscillation et une phase amortie. Amortie signifie que l’amplitude de la vibration diminue.”
“La phase suramortie que nous avons observée correspond à un nouvel état du champ lumineux, pour ainsi dire”, a ajouté Fahri Emre Öztürk, membre de l’équipe, doctorant à l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn.
“La caractéristique particulière est que l’effet du laser n’est généralement pas séparé de celui du condensat de Bose-Einstein par une transition de phase, et qu’il n’y a pas de frontière nettement définie entre les deux états. Cela signifie que nous pouvons continuellement faire des allers-retours entre les effets.”
“Cependant, dans notre expérience, l’état suramorcé du condensat de Bose-Einstein optique est séparé par une transition de phase à la fois de l’état oscillant et d’un laser standard”, a déclaré le professeur Weitz.
“Cela montre qu’il existe un condensat de Bose-Einstein, qui est vraiment un état différent de celui du laser standard”.
“En d’autres termes, nous avons affaire à deux phases distinctes du condensat de Bose-Einstein optique”.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Science.
