Une équipe internationale de physiciens de l'Institut Mandelstam de Physique Théorique de l'Université de Wits et de l'Institut Néel de Grenoble, La France, a créé un petit circuit supraconducteur qui imite le processus de mécanique quantique dans lequel un atome absorbe ou émet de la lumière.

Leur travail vient d'être publié Informations quantiques , et a été souligné dans un article éditorial de la même revue. Ce qui rend leur appareil unique, c'est qu'ils réalisent une interaction lumière-matière artificielle d'un ordre de grandeur plus grand que dans le monde en général.

L'équipe était dirigée par Nicholas Roch de l'Institut Néel au Centre National de la Recherche Scientifique en France. Les expériences ont été menées par Ph.D. étudiants Javier Martínez et Sébastien Léger.

"L'avantage des dispositifs artificiels comme le nôtre est qu'ils peuvent être facilement modifiés. De cette façon, ils peuvent être conçus pour imiter d'autres systèmes connus à forte interaction, " dit le Dr Izak Snyman, de l'Université de Wits, qui a joué un rôle prépondérant dans la modélisation théorique du dispositif et dans l'analyse et l'interprétation des données expérimentales.

"Une application passionnante consiste à utiliser notre appareil pour simuler des phénomènes quantiques qui se produisent à l'intérieur d'un morceau de métal, où il n'est pas possible d'observer ce qui se passe d'aussi près que dans notre système artificiel."

L'équipe a réussi à améliorer l'interaction lumière-matière en incorporant son atome artificiel à l'intérieur d'un réseau soigneusement modelé de minuscules supraconducteurs identiques, chacun d'environ 1000 nanomètres (1000thof un millimètre). A la lumière émise ou absorbée par l'atome artificiel, cela ressemble à un cristal, ce qui réduit considérablement la vitesse à laquelle la lumière se déplace. Par conséquent, il y a plus de temps pour qu'une impulsion lumineuse interagisse avec l'atome artificiel, et une interaction plus forte en résulte.

Pour déterminer la force de l'interaction lumière-matière, l'équipe a étudié la vitesse à laquelle leur atome émet de la lumière. Ils ont comparé cela à la vitesse à laquelle "l'électron" dans leurs orbites d'atomes artificiels. Là où un électron dans un atome d'hydrogène normal tourne environ 10 millions de fois avant de se désintégrer et d'émettre un paquet de lumière, les chercheurs ont réussi à faire se désintégrer l'atome artificiel et à émettre un paquet de lumière après seulement 10 oscillations.

"Cela montre une interaction étonnamment forte entre la lumière et l'atome, " dit Snyman. " Dans les appareils précédents où cet exploit a été réalisé, l'environnement dans lequel la lumière devait voyager se comportait invariablement de la même manière qu'un diapason pour la lumière, en privilégiant fortement une seule fréquence lumineuse."

En ne choisissant pas une fréquence (ou une couleur) particulière, l'environnement permet à un comportement beaucoup plus riche d'émerger de l'interaction lumière-matière que les dispositifs précédents. Par ailleurs, alors que pour un atome naturel donné, on est coincé avec la force d'interaction que la nature choisit, dans le nouvel appareil, il peut être ajusté à la main.

"C'est similaire à avoir une application qui permet d'ajuster la quantité de charge électrique qu'un proton ou un électron porte, plutôt que de se contenter du montant forfaitaire édicté par la nature, " dit Snyman.

Bien qu'il n'y ait pas nécessairement d'applications réelles pour ce nouvel appareil, Snyman pense qu'il fournit aux scientifiques un nouvel ensemble d'outils pour explorer des systèmes de mécanique quantique en forte interaction.

"De nombreuses questions fondamentales sans réponse en physique impliquent de fortes interactions. Par exemple, Comment les quarks se lient-ils pour former des protons et des neutrons ? Des appareils comme le nôtre peuvent fournir des indices sur ces énigmes."