Les particules légères ne se "sentent" normalement pas car il n'y a pas d'interaction entre elles. Des chercheurs de l'ETH ont maintenant réussi à manipuler des photons à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur de manière à ce qu'ils se repoussent néanmoins.

Deux faisceaux lumineux qui se croisent ne se dévient pas. C'est parce que, selon les lois de la physique quantique, il n'y a pas d'interaction entre les particules lumineuses ou les photons. Par conséquent, dans une collision, deux photons se traversent simplement au lieu de rebondir l'un sur l'autre - à moins que l'on ne les aide d'une manière ou d'une autre. En réalité, les chercheurs tentent depuis un certain temps maintenant de trouver des techniques pour que les photons se "sentent" les uns les autres. L'espoir est que cela se traduira par de nombreuses nouvelles possibilités de recherche ainsi que pour des applications pratiques. Ataç Imamoglu, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH de Zurich, et ses collaborateurs ont maintenant franchi une nouvelle étape importante vers la réalisation de photons à forte interaction. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue scientifique Matériaux naturels .

Transformation en polaritons

"Les photons en interaction forte sont en quelque sorte un Saint Graal dans notre domaine de recherche, photonique", explique Aymeric Delteil, qui travaille en post-doc dans le laboratoire d'Imamoğlu. Pour que les particules légères se repoussent, lui et ses collègues doivent aller un peu loin, bien que. A l'aide d'une fibre optique, ils envoient de courtes impulsions laser dans un résonateur optique, à l'intérieur duquel la lumière est fortement focalisée et frappe finalement un matériau semi-conducteur. Ce matériau (produit par les collègues d'Imamoğlu à Würzburg et à St. Andrew's en Écosse) est refroidi à l'intérieur d'un cryostat – une sorte de réfrigérateur extrêmement puissant – jusqu'à moins 269 degrés centigrades. A ces basses températures, les photons peuvent se combiner avec les excitations électroniques du matériau. Cette combinaison donne des polaritons. A l'opposé du matériau, les polaritons redeviennent des photons, qui peut alors sortir du résonateur.

Comme il y a des forces électromagnétiques agissant entre les excitations électroniques, une interaction se produit également entre les polaritons. "Nous avons pu détecter ce phénomène il y a déjà quelque temps", dit Imamoglu. "Toutefois, à l'époque l'effet était si faible que seules les interactions entre un grand nombre de polaritons jouaient un rôle, mais pas la répulsion par paire entre les polaritons individuels."

Les corrélations signalent les interactions

Dans leur nouvelle expérience, les chercheurs étaient maintenant en mesure de démontrer que des polaritons simples - et par conséquent, indirectement, les photons qu'ils contiennent - peuvent, En effet, intéragir ensemble. Ceci peut être déduit de la manière dont les photons quittant le résonateur sont corrélés les uns avec les autres. Pour révéler ces soi-disant corrélations quantiques, l'un mesure la probabilité qu'un deuxième photon quitte le résonateur peu de temps après un autre. Si les photons se gênent mutuellement à travers leurs polaritons à l'intérieur du semi-conducteur, cette probabilité sera plus petite que ce à quoi on pourrait s'attendre de photons sans interaction.

Dans le cas extrême, il devrait même y avoir un "blocage photonique", un effet qu'Imamoğlu avait déjà postulé il y a 20 ans. Un photon dans le semi-conducteur qui a créé un polariton empêche alors complètement un deuxième photon d'entrer dans le matériau et de se transformer lui-même en polariton. "On est loin de s'en rendre compte", Imamoğlu admet, "mais en attendant, nous avons encore amélioré notre résultat qui vient d'être publié. Cela signifie que nous sommes sur la bonne voie." L'objectif à long terme d'Imamoğlu est de faire interagir les photons si fortement les uns avec les autres qu'ils commencent à se comporter comme des fermions - comme des particules quantiques, en d'autres termes, qu'on ne peut jamais trouver au même endroit.

Intérêt pour les polaritons en interaction forte

En premier lieu, Imamoğlu n'est pas intéressé par les candidatures. "C'est vraiment de la recherche fondamentale, " dit-il. " Mais nous espérons pouvoir, un jour, pour créer des polaritons qui interagissent si fortement que nous pouvons les utiliser pour étudier de nouveaux effets en physique quantique qui sont difficiles à observer autrement. Cet échange d'énergie, combiné aux interactions entre les polaritons, devrait, selon les calculs des physiciens théoriciens. conduire à des phénomènes pour lesquels il n'y a jusqu'à présent que des explications rudimentaires. Des expériences telles que celles menées par Imamoğlu pourraient, donc, aider à mieux comprendre les modèles théoriques.