Des physiciens théoriques ouvrent une nouvelle voie vers la “lumière quantique” de haute énergie

Avatar photo

Des physiciens ont élaboré une nouvelle théorie décrivant un nouvel état de la lumière, qui possède des propriétés quantiques contrôlables sur une large gamme de fréquences, jusqu’aux fréquences des rayons X.

Les systèmes d'émetteurs fortement pilotés constituent une source de lumière attrayante sur de larges plages spectrales, jusqu'à la région des rayons X. Une des principales limites de ces systèmes est qu'ils ne peuvent pas être contrôlés. Une limitation clé de ces systèmes est que la lumière qu'ils émettent est principalement classique. Pizzi et al. ont surmonté cette contrainte en élaborant une théorie quantique-optique des systèmes à plusieurs corps fortement pilotés, montrant que la présence de corrélations entre les émetteurs crée l'émission d'états de lumière non classiques à plusieurs photons. Crédit image : DeepAI / Sci.News.

Les systèmes d’émetteurs fortement pilotés offrent une source de lumière attrayante sur de larges plages spectrales jusqu’à la région des rayons X. Une des principales limitations de ces systèmes est qu’ils ne peuvent pas être utilisés pour la production de lumière. L’une des principales limites de ces systèmes est que la lumière qu’ils émettent est essentiellement classique. Pizzi et al. ont surmonté cette contrainte en élaborant une théorie quantique-optique des systèmes à plusieurs corps fortement pilotés, montrant que la présence de corrélations entre les émetteurs crée l’émission d’états non classiques de la lumière à plusieurs photons. Crédit image : DeepAI / Sci.News.

Le monde que nous observons autour de nous peut être décrit selon les lois de la physique classique, mais dès que nous observons les choses à l’échelle atomique, le monde étrange de la physique quantique prend le dessus.

Imaginez un ballon de basket : en l’observant à l’œil nu, le ballon se comporte selon les lois de la physique classique. Mais les atomes qui composent le ballon de basket se comportent plutôt selon les lois de la physique quantique.

“La lumière ne fait pas exception à la règle : de la lumière du soleil aux ondes radio, elle peut être décrite principalement à l’aide de la physique classique”, a déclaré Andrea Pizzi, physicien au département de physique de l’université de Harvard et au Cavendish Laboratory de l’université de Cambridge.

“Mais à l’échelle micro et nanométrique, les fluctuations dites quantiques commencent à jouer un rôle et la physique classique ne peut pas en tenir compte.”

Dans leurs recherches, le Dr Pizzi et ses collègues ont cherché à développer une théorie qui prédit une nouvelle façon de contrôler la nature quantique de la lumière.

“Les fluctuations quantiques rendent la lumière quantique plus difficile à étudier, mais aussi plus intéressante : si elles sont correctement gérées, les fluctuations quantiques peuvent être une ressource”, a déclaré le Dr Pizzi.

“Le contrôle de l’état de la lumière quantique pourrait permettre de nouvelles techniques de microscopie et de calcul quantique.”

L’une des principales techniques pour générer de la lumière utilise des lasers puissants.

Lorsqu’un laser suffisamment puissant est pointé sur une collection d’émetteurs, il peut arracher certains électrons aux émetteurs et les énergiser.

Finalement, certains de ces électrons se recombinent avec les émetteurs dont ils ont été extraits, et l’énergie excédentaire qu’ils ont absorbée est libérée sous forme de lumière.

Ce processus transforme la lumière d’entrée à basse fréquence en un rayonnement de sortie à haute fréquence.

“L’hypothèse est que tous ces émetteurs sont indépendants les uns des autres, ce qui donne une lumière de sortie dans laquelle les fluctuations quantiques sont assez peu caractéristiques”, a déclaré le Dr Pizzi.

“Nous voulions étudier un système où les émetteurs ne sont pas indépendants, mais corrélés : l’état d’une particule vous dit quelque chose sur l’état d’une autre.”

“Dans ce cas, la lumière de sortie commence à se comporter très différemment, et ses fluctuations quantiques deviennent très structurées, et potentiellement plus utiles.”

Pour résoudre ce type de problème, connu sous le nom de problème des corps multiples, les chercheurs ont utilisé une combinaison d’analyse théorique et de simulations informatiques, où la lumière de sortie d’un groupe d’émetteurs corrélés pouvait être décrite en utilisant la physique quantique.

La théorie démontre que la lumière quantique contrôlable peut être générée par des émetteurs corrélés avec un laser puissant.

La méthode génère une lumière de sortie de haute énergie et pourrait être utilisée pour concevoir la structure optique quantique des rayons X.

“Nous avons travaillé pendant des mois pour rendre les équations de plus en plus propres, jusqu’à ce que nous arrivions à décrire la connexion entre la lumière de sortie et les corrélations d’entrée avec une seule équation compacte. En tant que physicien, je trouve cela magnifique”, a déclaré le Dr Pizzi.

“À l’avenir, nous aimerions collaborer avec des expérimentateurs pour fournir une validation de nos prédictions.”

“Du côté de la théorie, notre travail suggère que les systèmes à plusieurs corps sont une ressource pour générer de la lumière quantique, un concept que nous voulons étudier plus largement, au-delà de la configuration considérée dans ce travail.”

Les travaux de l’équipe sont publiés aujourd’hui dans le journal Nature Physics.

Related Posts