Essayez une expérience rapide :prenez deux lampes de poche dans une pièce sombre et faites-les briller de manière à ce que leurs faisceaux lumineux se croisent. Vous remarquez quelque chose de particulier ? La réponse plutôt décevante est, probablement pas. C'est parce que les photons individuels qui composent la lumière n'interagissent pas. Au lieu, ils se croisent simplement, comme des esprits indifférents dans la nuit.

Mais que se passerait-il si des particules légères pouvaient être amenées à interagir, s'attirant et se repoussant comme des atomes dans la matière ordinaire ? Un alléchant, bien que possibilité de science-fiction:sabres laser - faisceaux de lumière qui peuvent se tirer et se pousser, rendre éblouissant, affrontements épiques. Ou, dans un scénario plus probable, deux faisceaux de lumière pouvaient se rencontrer et se fondre en un seul, flux lumineux.

Il peut sembler qu'un tel comportement optique nécessiterait de contourner les règles de la physique, mais en fait, scientifiques du MIT, Université de Harvard, et ailleurs ont maintenant démontré que les photons peuvent effectivement être amenés à interagir - une réalisation qui pourrait ouvrir la voie à l'utilisation des photons dans l'informatique quantique, sinon au sabre laser.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science , l'équipe, dirigé par Vladan Vuletic, le professeur Lester Wolfe de physique au MIT, et le professeur Mikhail Lukin de l'Université Harvard, rapporte qu'il a observé des groupes de trois photons en interaction et, en effet, s'assemblant pour former un tout nouveau type de matière photonique.

Dans des expériences contrôlées, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils brillaient un faisceau laser très faible à travers un nuage dense d'atomes de rubidium ultrafroids, plutôt que de quitter le cloud en tant que célibataire, photons espacés aléatoirement, les photons liés entre eux par paires ou triplets, suggérant une sorte d'interaction - dans ce cas, attraction - ayant lieu parmi eux.

Alors que les photons n'ont normalement pas de masse et voyagent à 300, 000 kilomètres par seconde (la vitesse de la lumière), les chercheurs ont découvert que les photons liés acquéraient en fait une fraction de la masse d'un électron. Ces particules légères nouvellement alourdies étaient également relativement lentes, voyager environ 100, 000 fois plus lent que les photons normaux sans interaction.

Vuletic dit que les résultats démontrent que les photons peuvent en effet attirer, ou s'entremêler. S'ils peuvent être amenés à interagir d'autres manières, les photons peuvent être exploités pour fonctionner extrêmement rapidement, calculs quantiques incroyablement complexes.

"L'interaction des photons individuels est un très long rêve depuis des décennies, " dit Vuletic.

Les co-auteurs de Vuletic incluent Qi-Yung Liang, Sergio Cantu, et Travis Nicholson du MIT, Lukin et Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans et Alexey Gorshkov de l'Université du Maryland, Jeff Thompson de l'Université de Princeton, et Cheng Ching de l'Université de Chicago.

De plus en plus gros

Vuletic et Lukin dirigent le MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, et ensemble ils ont cherché des moyens, à la fois théorique et expérimental, pour favoriser les interactions entre les photons. En 2013, l'effort a payé, alors que l'équipe a observé des paires de photons interagissant et se liant ensemble pour la première fois, créant un tout nouvel état de la matière.

Dans leur nouveau travail, les chercheurs se sont demandé si des interactions pouvaient avoir lieu entre non seulement deux photons, mais plus.

"Par exemple, vous pouvez combiner des molécules d'oxygène pour former O2 et O3 (ozone), mais pas O4, et pour certaines molécules, vous ne pouvez même pas former une molécule à trois particules, " dit Vuletic. " C'était donc une question ouverte :pouvez-vous ajouter plus de photons à une molécule pour faire des choses de plus en plus grandes ? "

Découvrir, l'équipe a utilisé la même approche expérimentale que celle utilisée pour observer les interactions à deux photons. Le processus commence par le refroidissement d'un nuage d'atomes de rubidium à des températures ultrafroides, juste un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Le refroidissement des atomes les ralentit jusqu'à un quasi arrêt. A travers ce nuage d'atomes immobilisés, les chercheurs projettent alors un faisceau laser très faible - si faible, En réalité, que seule une poignée de photons traverse le nuage à la fois.

Les chercheurs mesurent ensuite les photons lorsqu'ils sortent de l'autre côté du nuage d'atomes. Dans la nouvelle expérience, ils ont découvert que les photons affluaient par paires et triplets, plutôt que de quitter le cloud à intervalles aléatoires, comme des photons uniques n'ayant rien à voir les uns avec les autres.

En plus de suivre le nombre et le taux de photons, l'équipe a mesuré la phase des photons, avant et après avoir traversé le nuage d'atomes. La phase d'un photon indique sa fréquence d'oscillation.

"La phase vous indique à quel point ils interagissent fortement, et plus la phase est grande, plus ils sont liés ensemble, " explique Venkatramani. L'équipe a observé que lorsque des particules à trois photons sortaient du nuage d'atomes simultanément, leur phase était décalée par rapport à ce qu'elle était lorsque les photons n'interagissaient pas du tout, et était trois fois plus grand que le déphasage des molécules à deux photons. "Cela signifie que ces photons ne sont pas seulement chacun d'eux interagissant indépendamment, mais ils interagissent tous ensemble fortement."

Des rencontres mémorables

Les chercheurs ont ensuite développé une hypothèse pour expliquer ce qui aurait pu provoquer l'interaction des photons en premier lieu. Leur modèle, basé sur des principes physiques, propose le scénario suivant :lorsqu'un photon se déplace à travers le nuage d'atomes de rubidium, il atterrit brièvement sur un atome voisin avant de passer à un autre atome, comme une abeille qui vole entre les fleurs, jusqu'à ce qu'il atteigne l'autre extrémité.

Si un autre photon voyage simultanément à travers le nuage, il peut aussi passer du temps sur un atome de rubidium, formant un polariton - un hybride qui fait partie du photon, partie atome. Ensuite, deux polaritons peuvent interagir via leur composante atomique. Au bord du nuage, les atomes restent où ils sont, pendant que les photons sortent, encore liés ensemble. Les chercheurs ont découvert que ce même phénomène peut se produire avec trois photons, formant une liaison encore plus forte que les interactions entre deux photons.

"Ce qui était intéressant, c'est que ces triplés se sont formés du tout, " dit Vuletic. " On ne savait pas non plus s'ils seraient également, moins, ou plus fortement liés par rapport aux paires de photons."

L'interaction entière au sein du nuage d'atomes se produit sur un millionième de seconde. Et c'est cette interaction qui fait que les photons restent liés les uns aux autres, même après avoir quitté le cloud.

"Ce qu'il y a de bien là-dedans, c'est quand les photons traversent le milieu, tout ce qui se passe dans le milieu, ils "se souviennent" quand ils sortent, " dit Cantu.

Cela signifie que les photons qui ont interagi les uns avec les autres, dans ce cas par une attraction entre eux, peut être considéré comme fortement corrélé, ou intriqué - une propriété clé pour tout bit de calcul quantique.

"Les photons peuvent voyager très vite sur de longues distances, et les gens ont utilisé la lumière pour transmettre des informations, comme dans les fibres optiques, " dit Vuletic. " Si les photons peuvent s'influencer les uns les autres, alors si vous pouvez enchevêtrer ces photons, et nous l'avons fait, vous pouvez les utiliser pour diffuser des informations quantiques d'une manière intéressante et utile."

Aller de l'avant, l'équipe cherchera des moyens de contraindre d'autres interactions telles que la répulsion, où les photons peuvent se disperser comme des boules de billard.

"C'est complètement nouveau dans le sens où on ne sait même pas parfois qualitativement à quoi s'attendre, " dit Vuletic. " Avec la répulsion des photons, peuvent-ils être tels qu'ils forment un motif régulier, comme un cristal de lumière ? Ou va-t-il se passer autre chose ? C'est un territoire très inexploré."