Vue détaillée de la partie centrale de l'expérience sur l'électrodynamique quantique en sous-cycle. Le cristal émetteur de séléniure de gallium est visible dans la région brillante à droite. Ici, une impulsion laser ultracourte induit un changement local de la vitesse de la lumière qui entraîne une compression du vide quantique. Les états de lumière non classiques se propagent à travers les filtres au centre et aboutissent au cristal de détection de sulfure d'argent et de gallium qui est mis en évidence dans la section de gauche. Les écarts par rapport au bruit du vide y sont échantillonnés avec une résolution temporelle femtoseconde. Crédit :Université de Constance
Une étape importante vers un tout nouvel accès expérimental à la physique quantique a été franchie à l'Université de Constance. L'équipe de scientifiques dirigée par le professeur Alfred Leitenstorfer a maintenant montré comment manipuler le champ électrique du vide et ainsi générer des écarts par rapport à l'état fondamental de l'espace vide qui ne peuvent être compris que dans le contexte de la théorie quantique de la lumière.
Avec ces résultats, les chercheurs du domaine des phénomènes ultrarapides et de la photonique s'appuient sur leurs découvertes antérieures, publié en octobre 2015 dans la revue scientifique Science , où ils ont démontré la détection directe des signaux du pur néant. Ce progrès scientifique essentiel pourrait permettre de résoudre des problèmes auxquels les physiciens se débattent depuis longtemps, allant d'une compréhension plus approfondie de la nature quantique du rayonnement à la recherche sur les propriétés intéressantes des matériaux telles que la supraconductivité à haute température. Les nouveaux résultats sont publiés le 19 janvier 2017 dans le dernier numéro en ligne de la revue scientifique La nature .
Une technique de mesure optique de pointe, développé par l'équipe d'Alfred Leitenstorfer, rendu possible cette compréhension fondamentale. Un système laser spécial génère des impulsions lumineuses ultracourtes qui ne durent que quelques femtosecondes et sont donc plus courtes qu'un demi-cycle de lumière dans la plage spectrale étudiée. Une femtoseconde correspond au millionième de milliardième de seconde. L'extrême sensibilité de la méthode permet de détecter les fluctuations électromagnétiques même en l'absence d'intensité, C'est, dans l'obscurité totale. Théoriquement, l'existence de ces "fluctuations du vide" découle du principe d'incertitude de Heisenberg. Alfred Leitenstorfer et son équipe ont réussi à observer directement ces fluctuations pour la première fois et dans la gamme des fréquences moyennes infrarouges, où même les approches conventionnelles de la physique quantique n'ont pas fonctionné auparavant.
La nouveauté conceptuelle des expériences est qu'au lieu des techniques du domaine fréquentiel utilisées jusqu'à présent, les physiciens de Constance ont accédé aux statistiques quantiques de la lumière directement dans le domaine temporel. A un moment choisi, les amplitudes de champ électrique sont mesurées directement au lieu d'analyser la lumière dans une bande de fréquence étroite. L'étude de différents points dans le temps produit des modèles de bruit caractéristiques qui permettent de tirer des conclusions détaillées sur l'état quantique temporel de la lumière. Comme l'impulsion laser se propage avec le champ quantique à l'étude, les physiciens de Constance peuvent, pour ainsi dire, arrêter le temps. Finalement, l'espace et le temps, c'est "l'espace-temps", se comportent de manière absolument équivalente dans ces expériences - une indication de la nature intrinsèquement relativiste du rayonnement électromagnétique.
Comme la nouvelle technique de mesure ne doit ni absorber les photons à mesurer ni les amplifier, il est possible de détecter directement le bruit de fond électromagnétique du vide et donc aussi les écarts contrôlés par rapport à cet état fondamental, créé par les chercheurs. "On peut analyser les états quantiques sans les changer en première approximation", dit Alfred Leitenstorfer. La haute stabilité de la technologie Konstanz est un facteur important pour les mesures quantiques, car le bruit de fond de leurs impulsions laser ultracourtes est extrêmement faible.
Représentation schématique des écarts spatio-temporels par rapport au niveau des fluctuations du vide nu du champ électrique qui sont générés par la déformation de l'espace-temps et échantillonnés dans le domaine temporel. L'hypersurface codée par couleur combine une trace temporelle longitudinale (ligne rouge) avec la fonction de mode transverse. Crédit :Université de Constance
En manipulant le vide avec des impulsions femtosecondes fortement focalisées, les chercheurs proposent une nouvelle stratégie pour générer de la "lumière pressée", un état hautement non classique d'un champ de rayonnement. La vitesse de la lumière dans un certain segment de l'espace-temps est délibérément modifiée par une impulsion intense du laser femtoseconde. Cette modulation locale de la vitesse de propagation « comprime » le champ de vide, ce qui équivaut à une redistribution des fluctuations du vide. Alfred Leitenstorfer compare graphiquement ce mécanisme de la physique quantique à un embouteillage sur l'autoroute :à partir d'un certain point, certaines voitures roulent plus lentement. Par conséquent, les embouteillages s'installent derrière ces voitures, tandis que la densité du trafic diminuera devant ce point. Cela signifie :lorsque les amplitudes de fluctuation diminuent à un endroit, ils augmentent dans un autre.
Alors que les amplitudes de fluctuation s'écartent positivement du bruit du vide à une vitesse croissante de la lumière, un ralentissement entraîne un phénomène étonnant :le niveau de bruit mesuré est plus faible qu'à l'état de vide, c'est-à-dire l'état fondamental de l'espace vide.
L'illustration simple avec le trafic sur une autoroute, cependant, atteint rapidement ses limites :contrairement à cette image de « physique classique », où le nombre de voitures reste constant, les amplitudes du bruit changent complètement différemment avec l'augmentation de l'accélération et de la décélération de l'espace-temps. En cas de "compression" modérée, le modèle de bruit est distribué autour du niveau de vide de manière assez symétrique. Avec une intensité croissante, cependant, la diminution sature inévitablement vers zéro. L'excès de bruit qui s'accumule quelques femtosecondes plus tard, en revanche, augmente de manière non linéaire - une conséquence directe du caractère du principe d'incertitude en tant que produit algébrique. Ce phénomène peut être assimilé à la génération d'un état hautement non classique du champ lumineux, dans lequel, par exemple, toujours deux photons émergent simultanément dans le même volume d'espace et de temps.
L'expérience menée à Constance soulève de nombreuses questions nouvelles et promet des études passionnantes à venir. Prochain, les physiciens visent à comprendre les limites fondamentales de leur méthode de détection sensible qui laisse l'état quantique apparemment intact. En principe, toute analyse expérimentale d'un système quantique finirait par perturber son état. Actuellement, encore un nombre élevé de mesures individuelles doit être effectué pour obtenir un résultat :20 millions de répétitions par seconde. Les physiciens ne peuvent pas encore dire avec certitude s'il s'agit d'une soi-disant « mesure faible » en termes conventionnels de la théorie quantique.
La nouvelle approche expérimentale de l'électrodynamique quantique n'est que la troisième méthode pour étudier l'état quantique de la lumière. Maintenant, des questions fondamentales se posent :quel est exactement le caractère quantique de la lumière ? Qu'est-ce qu'un photon en fait ? Concernant la dernière question, cela est clair pour les physiciens de Constance :au lieu d'un paquet d'énergie quantifié, il s'agit plutôt d'une mesure des statistiques quantiques locales des champs électromagnétiques dans l'espace-temps.
