Les scientifiques combinent la lumière et la matière pour créer des particules avec de nouveaux comportements

Chaque type d’atome dans l’univers a une empreinte digitale unique : il n’absorbe ou n’émet de la lumière qu’aux énergies particulières qui correspondent aux orbites autorisées de ses électrons. Cette empreinte permet aux scientifiques d’identifier un atome où qu’il se trouve. Un atome d’hydrogène dans l’espace extra-atmosphérique absorbe la lumière aux mêmes énergies que sur la Terre.

 

Alors que les physiciens ont appris comment les champs électriques et magnétiques peuvent manipuler cette empreinte, le nombre de caractéristiques qui la composent reste généralement constant. Dans un ouvrage publié le 3 juillet dans la revue Nature des chercheurs de l’Université de Chicago ont contesté ce paradigme en agitant des électrons à l’aide de lasers afin de créer des fonctions « doppelganger » à de nouvelles énergies ; une avancée permettant aux scientifiques de créer des particules hybrides atome et part-light, avec une grande variété de nouveaux comportements.

La recherche fait partie d’un effort plus important mené par Assoc. Dans le laboratoire du professeur Jonathan Simon, brisez les murs entre la matière et la lumière, afin de rechercher leurs propriétés fondamentales. En plus d’apprendre comment les matériaux se comportent au niveau quantique, ces travaux pourraient un jour aider à créer des ordinateurs plus puissants ou des communications quantiques pratiquement « indestructibles ».

Une étape dans la fabrication de la lumière à l’écart consiste à créer des paquets individuels de la lumière, appelés photons, interagissent les uns avec les autres comme le fait la matière. (Normalement, les photons se déplacent à la vitesse de la lumière et ne réagissent pas du tout.)

« Pour faire entrer en collision des photons, nous utilisons des atomes comme intermédiaire », a déclaré Logan Clark, chercheur postdoctoral, qui a dirigé les recherches. « Mais nous rencontrions un problème parce que les photons n’interagissaient qu’avec des atomes dont les orbitales électroniques avaient des énergies très particulières. Nous avons donc demandé: Et si nous pouvions faire des copies des orbitales avec les énergies que nous voulions ? »

Clark avait déjà développé des techniques pour manipuler la matière quantique en la secouant – appelée ingénierie Floquet – dans le cadre de son projet de doctorat. Le bon type de secousses produit naturellement des copies d’états quantiques à de multiples énergies en cours de route. « Nous avions toujours considéré les copies comme un effet secondaire plutôt que comme objectif », a-t-il déclaré, « mais cette fois-ci, nous avons secoué nos électrons dans le but précis de faire des copies. »

En faisant varier l’intensité d’un champ laser à l’écoute précise d’une résonance atomique, l’équipe a pu décaler les orbitales d’un électron. Le fait de secouer les orbitales en faisant varier périodiquement cette intensité a donné les copies souhaitées.

Mais ces détracteurs ont un attrait important : « Bien que l’orbite atomique apparaisse à de multiples énergies distinctes, il est important de noter que ces copies sont en réalité liées original comme des marionnettes », explique le chercheur postdoctoral Nathan Schine, co-auteur de l’étude. « Lorsque l’une des copies est décalée, l’original et tous les autres sont décalés. »

En permettant aux photons d’interagir avec ces atomes ébranlés, l’équipe a créé ce qu’ils appellent des « polaritons de Floquet » – des quasi-particules qui sont une partie de la lumière et une partie de l’atome et, contrairement aux photons réguliers, interagissent assez fortement les uns avec les autres. Ces interactions sont essentielles pour transformer la matière en lumière. Créer des polaritons avec des atomes ébranlés peut donner aux polaritons beaucoup plus de souplesse pour se déplacer et se heurter de nouvelles façons.

« Les polaritons de Floquet sont pleins de surprises; nous continuons à mieux les comprendre », a déclaré Clark. « Notre prochain ordre de travail consistera toutefois à utiliser ces photons en collision pour produire des “ fluides ” de lumière topologiques. C’est une période extrêmement excitante. »

Avoir des copies d’un état atomique à énergies multiples offre également des possibilités excitantes pour la conversion de fréquence optique – un outil essentiel pour la création de méthodes de communication quantiques sécurisées.

« Il est en effet très passionnant de faire bouger les choses, mais peut aussi déboucher sur des données scientifiques fascinantes », a déclaré M. Clark.
 

yogaesoteric

9 septembre 2019

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