Les phonons sont des unités discrètes d'énergie vibrationnelle prédite par la mécanique quantique qui correspondent aux oscillations collectives d'atomes à l'intérieur d'une molécule ou d'un cristal. Lorsque de telles vibrations sont produites par la lumière interagissant avec un matériau, l'énergie vibratoire peut être transférée entre des phonons individuels et des paquets individuels d'énergie lumineuse, les photons. Ce processus est appelé effet Raman.

Dans une nouvelle étude, le laboratoire de Christophe Galland à l'Institut de physique de l'EPFL a développé une technique de mesure, en temps réel et à température ambiante, la création et la destruction de phonons individuels, ouvrant des possibilités passionnantes dans divers domaines tels que la spectroscopie et les technologies quantiques.

La technique utilise des impulsions laser ultra-courtes, qui sont des éclats de lumière qui durent moins de 10 ^-13 secondes (une fraction de billionième de seconde). D'abord, une telle impulsion est projetée sur un cristal de diamant pour exciter un seul phonon à l'intérieur. Quand cela arrive, un photon partenaire est créé à une nouvelle longueur d'onde par effet Raman et est observé avec un détecteur spécialisé, annonçant le succès de l'étape de préparation.

Seconde, interroger le cristal et sonder le phonon nouvellement créé, les scientifiques tirent une autre impulsion laser dans le diamant. Grâce à un autre détecteur, ils enregistrent maintenant des photons qui ont réabsorbé l'énergie de la vibration. Ces photons sont des témoins que le phonon était encore vivant, ce qui signifie que le cristal vibrait toujours avec exactement la même énergie.

Ceci est en forte contradiction avec notre intuition :nous avons l'habitude de voir les objets en vibration perdre progressivement leur énergie avec le temps, comme une corde de guitare dont le son s'estompe. Mais en mécanique quantique c'est « tout ou rien » :soit le cristal vibre avec une énergie spécifique, soit il est au repos; il n'y a pas d'état autorisé entre les deux. La décroissance du phonon au cours du temps s'observe donc comme une diminution de la probabilité de le retrouver à l'état excité au lieu d'avoir sauté à l'état de repos.

Par cette approche, les scientifiques ont pu reconstituer la naissance et la mort d'un seul phonon en analysant la sortie des deux détecteurs de photons. « Dans le langage de la mécanique quantique, le fait de mesurer le système après la première impulsion crée un état quantique bien défini du phonon, qui est sondé par la deuxième impulsion, " précise Christophe Galland. " On peut donc cartographier la décroissance des phonons avec une résolution temporelle très fine en faisant passer le délai entre les impulsions de zéro à quelques trillionièmes de seconde (10 ^-12 secondes ou picosecondes)."

La nouvelle technique peut être appliquée à de nombreux types de matériaux différents, des cristaux en vrac aux molécules simples. Il peut également être affiné pour créer des états quantiques vibrationnels plus exotiques, tels que les états intriqués où l'énergie est "délocalisée" sur deux modes vibrationnels. Et tout cela peut être effectué dans des conditions ambiantes, soulignant que des phénomènes quantiques exotiques peuvent se produire dans notre vie quotidienne - nous avons juste besoin de regarder très vite.