Qu'est-ce que la lumière ? Cela ressemble à une question simple, mais c'est celui qui a occupé certains des meilleurs esprits scientifiques pendant des siècles.

Maintenant, une étude collaborative avec des scientifiques de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) a ajouté une autre tournure à l'histoire, transformer une théorie abstraite sur les propriétés quantiques des aimants en une hypothèse vérifiable sur un nouveau type de lumière.

Depuis qu'Isaac Newton a réfracté la lumière à travers des prismes en 1672, les scientifiques sont divisés sur la question de savoir si la lumière est constituée de particules ou d'ondes. La lumière semble voyager en lignes droites, comme on s'y attendrait d'une particule, mais les expériences de Newton ont montré qu'il a également une fréquence et une longueur d'onde, comme des ondes sonores.

Près de 200 ans plus tard, le physicien écossais James Clerk Maxwell a fourni une partie de la réponse, lorsqu'il réalisa que la lumière était constituée de champs électriques et magnétiques fluctuants. Ce n'est qu'au XXe siècle grâce aux travaux d'Einstein, que la lumière a finalement été comprise comme étant constituée de particules fondamentales appelées photons, qui agissent à la fois comme des particules et des ondes.

Cette découverte a contribué à inspirer la nouvelle science de la mécanique quantique, qui décrit le comportement de la matière et de l'énergie au niveau atomique et subatomique.

Plus récemment, à la fin du 20e siècle, les physiciens ont commencé à explorer un phénomène appelé émergence. Tout comme le comportement de grands groupes de personnes peut différer de celui de n'importe quel membre du groupe, l'émergence décrit comment les particules en grands groupes peuvent se comporter de manière inattendue, révélant de nouvelles lois de la physique ou fournissant un nouveau contexte pour les anciennes. Une question posée était, "Pourrait-il y avoir une chose telle que la lumière émergente?"

Cela nous amène au professeur de l'OIST Nic Shannon, Han Yan, un doctorat étudiant dans son unité Théorie de la matière quantique, et leurs collègues en Suisse et aux États-Unis. Leurs travaux récents portent sur une étrange famille de systèmes magnétiques appelés glace de spin, qui échappent à toutes les formes conventionnelles d'ordre magnétique et ouvrent au contraire une fenêtre sur le monde quantique.

Dans les aimants conventionnels comme ceux de votre réfrigérateur, les atomes magnétiques produisent un champ magnétique minuscule et travaillent ensemble pour générer des champs magnétiques beaucoup plus grands qui leur permettent de "coller" aux objets métalliques. Cela est possible parce que les minuscules champs magnétiques associés à chaque atome différent de l'aimant s'ordonnent de sorte qu'ils pointent dans la même direction.

Dans la glace tournante, cependant, les atomes ne s'ordonnent pas magnétiquement, mais travaillent toujours ensemble pour produire un champ magnétique qui fluctue à l'échelle atomique.

Récemment, les chercheurs ont réalisé que les effets quantiques à basse température peuvent introduire un champ électrique émergent dans la glace de spin, avec une conséquence étonnante :les champs électriques et magnétiques émergents se combinent pour produire des excitations magnétiques qui se comportent exactement comme des photons de lumière.

"Il se comporte comme la lumière, mais tu ne peux pas le voir avec tes yeux, " a déclaré le professeur Shannon " Imaginez que le cristal de glace de spin est un univers minuscule avec ses propres lois de la nature, et vous regardez à l'extérieur. Comment pourriez-vous comprendre ce qui se passe à l'intérieur.

En 2012, le professeur Shannon et son doctorat d'alors. L'étudiant Owen Benton a proposé un moyen de détecter la lumière à l'intérieur d'une glace de spin quantique en faisant rebondir des neutrons sur les atomes magnétiques à l'intérieur du cristal. Ils ont prédit une signature caractéristique dans la façon dont le cristal absorbe l'énergie des neutrons, qui signale la présence de l'électrodynamique émergente d'une glace de spin quantique.

Maintenant, dans un article publié dans Physique de la nature , les auteurs rapportent avoir observé cette signature dans un matériau appelé hafnate de praséodyme (Pr2Hf2O7).

Trouver les signatures de la lumière émergente dans un matériau réel s'est avéré très difficile, car cela nécessitait de travailler à des températures aussi basses que 50 millikelvin - moins d'un dixième de degré au-dessus du zéro absolu - avec des cristaux exempts de saleté et d'imperfections.

Une équipe de recherche dirigée par le Dr Romain Sibille de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, en collaboration avec des collègues de l'Université de Warwick au Royaume-Uni, ont réussi à générer un cristal parfait d'un matériau de glace de spin quantique avec lequel ils pourraient enfin tester l'hypothèse.

"C'est très joli, comme une pierre précieuse, " a déclaré le professeur Shannon, "et c'est incroyable de penser que c'est tout un gros cristal sans imperfections."

Sibille a apporté ce cristal à l'Institut Européen Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, La France, ainsi que l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dans le Tennessee, ETATS-UNIS, d'utiliser les spectromètres à neutrons spécialement développés pour ces installations.

Dans une expérience extrêmement difficile, L'équipe de Sibille a utilisé un ensemble de 960 supermiroirs recouverts de fer, cobalt, et des alliages de vanadium qui pourraient refléter sélectivement différents types de neutrons - quelque chose que son institution d'origine PSI a développé, et ont utilisé l'instrument HYSPEC (ORNL) pour obtenir une analyse 3-D de leurs modèles de réflexion.

En combinaison avec une cartographie approfondie des neutrons diffusés à l'aide de l'instrument IN5 (ILL), cela leur a permis de mesurer la polarisation des particules diffusées et de cartographier les signatures énergétiques produites par ces particules. »

La théorie du Dr Benton et du professeur Shannon présentait une étrange similitude avec les cartes énergétiques expérimentales. La représentation graphique de la réflexion des neutrons affichait des points dits de pincement, qui sont des caractéristiques d'une glace de spin quantique. Lorsque la glace de spin a été balayée à basse température, les points de pincement ont disparu d'une manière qui suggérait fortement une lumière émergente.

Yan a travaillé sur la théorie et analysé les données expérimentales pour déterminer la vitesse de la lumière émergente - un modeste 3,6 m par seconde, à peu près aussi rapide que quelqu'un qui court un marathon en quatre heures. Les photons de la lumière normale – le genre sous lequel vous pourriez bronzer – pourraient couvrir la même distance en moins d'un millième de seconde.

"Pour moi, c'est très cool que ce matériau se comporte comme un mini-univers avec ses propres particules légères et chargées", a déclaré Han.

"Maintenant, nous ne connaissons aucun moyen d'expliquer ces résultats sans invoquer la mécanique quantique, " a déclaré le professeur Shannon, "donc il semble vraiment que nous ayons vu une lumière émergente."