Chaque type d'atome dans l'univers a une empreinte unique :il n'absorbe ou n'émet de lumière qu'aux énergies particulières qui correspondent aux orbites autorisées de ses électrons. Cette empreinte digitale permet aux scientifiques d'identifier un atome où qu'il se trouve. Un atome d'hydrogène dans l'espace absorbe la lumière aux mêmes énergies qu'un atome sur Terre.

Alors que les physiciens ont appris comment les champs électriques et magnétiques peuvent manipuler cette empreinte digitale, le nombre de caractéristiques qui le composent reste généralement constant. Dans un ouvrage publié le 3 juillet dans la revue La nature , Des chercheurs de l'Université de Chicago ont remis en question ce paradigme en secouant des électrons avec des lasers pour créer des caractéristiques "doppelganger" à de nouvelles énergies - une percée qui permet aux scientifiques de créer des particules hybrides qui sont en partie atome et en partie lumière, avec une grande variété de nouveaux comportements.

La recherche fait partie d'un plus grand effort dans Assoc. Le laboratoire du Pr Jonathan Simon pour briser les murs entre la matière et la lumière, afin d'étudier leurs propriétés fondamentales. En plus d'apprendre comment les matériaux se comportent au niveau quantique, ce travail pourrait un jour aider à créer des ordinateurs plus puissants ou des communications quantiques pratiquement « impossibles à pirater ».

Une étape sur le chemin pour faire de la matière à partir de la lumière est de faire des paquets de lumière individuels, appelés photons, interagissent les uns avec les autres comme le fait la matière. (Normalement, les photons se déplacent à la vitesse de la lumière et ne réagissent pas du tout entre eux.)

"Pour faire entrer en collision les photons, nous utilisons des atomes comme intermédiaire, " a déclaré le chercheur postdoctoral Logan Clark, qui a dirigé la recherche. "Mais nous nous heurtions à un problème parce que les photons n'interagissent qu'avec des atomes dont les orbitales électroniques sont à des énergies très particulières. Nous avons donc demandé :et si nous pouvions faire des copies des orbitales à toutes les énergies que nous voulions ?"

Clark avait déjà développé des techniques pour manipuler la matière quantique en la secouant - appelée ingénierie Floquet - dans le cadre de son doctorat. projet. Le bon type de secousse produit naturellement des copies d'états quantiques à plusieurs énergies en cours de route. "Nous avions toujours considéré les copies comme un effet secondaire plutôt que comme un objectif, " il a dit, "mais cette fois, nous avons secoué nos électrons avec l'intention spécifique de faire les copies."

En faisant varier l'intensité d'un champ laser réglé précisément sur une résonance atomique, l'équipe a pu déplacer les orbitales d'un électron. Secouer les orbitales en variant périodiquement cette intensité a produit les copies désirées.

Mais ces doppelgangers ont un inconvénient important :« Alors que l'orbitale atomique apparaît à plusieurs énergies distinctes, il est important de noter que ces copies sont en fait liées à l'original comme des marionnettes, " a expliqué le chercheur postdoctoral Nathan Schine, un co-auteur de l'étude. "Lorsque l'une des copies se déplace, l'original et toutes les autres copies se déplacent avec lui."

En permettant aux photons d'interagir avec ces atomes secoués, l'équipe a créé ce qu'ils appellent des « polaritons de Floquet », des quasi-particules qui sont en partie lumière et en partie atome, et contrairement aux photons normaux, interagissent assez fortement les uns avec les autres. Ces interactions sont essentielles pour faire de la matière à partir de la lumière. Faire des polaritons avec des atomes secoués peut donner aux polaritons beaucoup plus de flexibilité pour se déplacer et entrer en collision les uns avec les autres de nouvelles manières.

"Les polaritons Floquet sont pleins de surprises, nous continuons toujours à mieux les comprendre, " dit Clark. " Notre prochain ordre du jour, bien que, sera d'utiliser ces photons en collision pour fabriquer des « fluides » topologiques de lumière. C'est une période extrêmement excitante."

Avoir des copies d'un état atomique à plusieurs énergies offre également des possibilités intéressantes pour la conversion de fréquence optique, un outil clé pour créer des méthodes de communication quantique sécurisées.

"Il s'avère que secouer les choses n'est pas seulement très amusant, mais peut conduire à une science vraiment fascinante, " dit Clark.