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 des paires d’atomes en molécules de manière cohérente. Crédit : studio Ella Maru
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.
Il ne fait aucun doute que nous nous dirigeons progressivement vers une ère 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 avec les atomes.
Cela a déjà été atteint dans une certaine mesure, nous donnant le domaine de pointe de l’électrodynamique quantique en cavité (QED), qui est déjà utilisé 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 le type de systèmes complexes impliqués dans les technologies quantiques.
Dans un article publié en La nature, des chercheurs du groupe de Jean-Philippe Brantut à la Faculté des sciences fondamentales de l’EPFL ont trouvé un moyen de faire “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. « Alors que la lumière est envoyée sur le gaz, certaines de ces paires peuvent être transformées en molécules chimiquement liées en absorbant des photons. »
Un concept clé de ce nouvel effet est qu’il se produit « de manière cohérente », ce qui signifie que le photon peut être 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 ‘paire-polariton'”, explique Brantut. “Cela est rendu 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.”
Les paires-polaritons hybrides adoptent certaines des propriétés des photons, ce qui signifie qu’elles peuvent être mesurées avec des méthodes optiques. Ils reprennent également certaines des propriétés du gaz de Fermi, comme le nombre de atome paires qu’il avait à l’origine avant les photons entrants.
“Certaines des 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 future application serait en chimie quantique, puisque nous démontrons que certaines réactions chimiques peuvent être produites de manière cohérente à l’aide de photons uniques.”
Référence : « Universal pair polaritons in a fortement interacting Fermi gas » par Hideki Konishi, Kevin Roux, Victor Helson et Jean-Philippe Brantut, 25 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03731-9
