Des scientifiques de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ont couplé un nouveau matériau avec de la lumière au niveau d'un seul photon. La réalisation ouvre des perspectives pour mieux contrôler et comprendre les propriétés des systèmes quantiques corrélés, où les calculs théoriques sont difficiles.

Il existe un grand groupe de matériaux que les physiciens appellent « fortement corrélés, " qui comprennent les isolants et les matériaux électroniques qui ont des propriétés électroniques et magnétiques inhabituelles, ou encore des neutrons dans les étoiles à neutrons. Leurs propriétés résultent du fait que leurs constituants interagissent très fortement entre eux :de nouvelles fonctionnalités apparaissent au niveau collectif, qui ne sont pas présents dans les particules isolées.

Les propriétés uniques des matériaux fortement corrélés sont souvent technologiquement utiles, et sont ainsi utilisés dans les aimants supraconducteurs et la technologie de stockage magnétique, mais aussi dans les « technologies quantiques » émergentes.

Maintenant, scientifiques dirigés par Jean-Philippe Brantut à l'Institut de physique de l'EPFL, ont découvert le premier complexe, matériau fortement corrélé dont les constituants sont fortement couplés à la lumière au niveau du photon unique. Le matériau est ce que les chercheurs appellent un "gaz de Fermi, " qui est essentiellement un gaz d'atomes neutres refroidi très près du zéro absolu. Là, les atomes qui appartiennent à cette même famille de particules que les électrons ou les neutrons présentent des effets de corrélation forts similaires.

En plaçant ce gaz de Fermi entre deux miroirs optiques hautement réfléchissants, une "boîte à lumière, " les chercheurs ont découvert que les interactions avec la lumière peuvent être rendues d'une force sans précédent. " Nous allons maintenant l'utiliser pour mieux contrôler et comprendre les propriétés des systèmes quantiques corrélés, où les calculs théoriques sont difficiles, " dit Brantut. " A l'inverse, cela pourrait permettre d'utiliser davantage la matière fortement corrélée pour les applications des technologies quantiques, où l'interfaçage avec la lumière est une condition préalable."