Comment arrêter quelque chose qui est plus rapide qu'autre chose, intangible et toujours en mouvement par nature ? Une équipe dirigée par les physiciens Dr Thorsten Peters et le professeur Thomas Halfmann fait ce qui semble impossible :arrêter la lumière pendant de minuscules fractions de seconde. Ils terminent ensuite l'escale sur simple pression d'un bouton laissant la pulsation lumineuse poursuivre son voyage. Les chercheurs arrêtent même les particules lumineuses individuelles.

Ce qui ressemble à un gadget physique pourrait être utile pour de futures applications. La technologie dite quantique tente d'utiliser les effets bizarres de la physique quantique pour des ordinateurs plus rapides, des capteurs plus précis et des communications à l'épreuve des bogues. photons, qui sont utilisés dans la technologie quantique comme supports d'information, jouer un rôle décisif à cet égard.

À cette fin, physiciens, par exemple, nécessitent des sources lumineuses qui émettent des photons individuels sur simple pression d'un bouton. Pour traiter les informations stockées sur les particules légères, il serait également important que les photons individuels interagissent, ce qu'ils ne font généralement pas. Dans les futurs ordinateurs quantiques, les photons devront par exemple transférer leurs informations aux atomes et vice versa. A cette fin aussi, l'interaction entre les deux types de particules doit être intensifiée, que les photons stoppés par le groupe de la TU Darmstadt pourraient rendre possible.

Comment fonctionne cet arrêt d'urgence pour éclairage ? Depuis quelque temps, il est possible de geler des photons et de les réémettre sur commande. Cependant, pendant qu'ils sont arrêtés, les photons n'existent pas en tant que tels. Ils sont avalés par un nuage atomique, qui prend alors un état dit excité et stocke le photon comme information. Ce n'est qu'à la réception d'un signal que l'excitation redevient un photon, qui continue ensuite. Les chercheurs de Darmstadt le font de la même manière, mais avec une différence cruciale :leurs photons sont en fait préservés.

La lumière s'arrête littéralement. L'équipe utilise une fibre de verre spéciale avec un canal creux au centre d'un diamètre inférieur à dix millièmes de millimètre. La fibre a une structure poreuse autour du noyau qui maintient la lumière à distance. Cela provoque la concentration d'un faisceau laser au centre du canal creux. Sa section se rétrécit à environ un millième de millimètre. Les chercheurs utilisent le faisceau lumineux comme une sorte de piège à atomes. Ils introduisent des atomes de rubidium dans la fibre creuse, qui se concentrent au centre du faisceau laser en raison des forces électromagnétiques. Les chercheurs envoient ensuite les photons qu'ils souhaitent arrêter dans le canal. Grosso modo, le photon est complètement arrêté par deux faisceaux laser supplémentaires qui sont guidés dans la fibre creuse des deux côtés. Métaphoriquement parlant, ceux-ci retiennent les photons entre eux comme deux footballeurs donnant des coups de pied dans le ballon.

"C'est aussi semblable à une chambre dans laquelle la lumière est projetée dans les deux sens entre deux miroirs, " comme l'explique Thorsten Peters. " Juste sans miroir. " L'équipe TU est la première à réussir à ralentir les photons dans un capillaire aussi étroit de cette manière et ce n'était pas facile. C'est rendu extrêmement compliqué par une propriété optique connue L'équipe a pu affiner sa méthode grâce à une analyse de biréfringence laborieuse au point où l'arrêt des photons individuels est devenu possible.

Mais simplement en arrêtant la lumière elle-même, ils ne se sont pas satisfaits. "Notre objectif, " dit Peters, "était de faire interagir les photons avec les atomes plus fortement qu'ils ne le font normalement." En particulier, il devrait être possible pour deux particules légères d'interagir avec un atome en même temps, qui produirait un phénomène utile connu en physique sous le nom d'optique non linéaire dans lequel les photons pénètrent dans un milieu, comme un cristal spécial. Lorsque deux photons frappent simultanément l'un des atomes du cristal, ils interagissent les uns avec les autres, qui change la fréquence, c'est à dire., la couleur, de la lumière. La nouvelle fréquence pourrait, par exemple, être la somme des fréquences des photons qui sont envoyés.

Il existe de nombreuses applications techniques pour de tels effets, par exemple dans les pointeurs laser. La méthode présente un inconvénient :des lasers à haute intensité sont nécessaires pour garantir qu'un nombre suffisant de paires de photons frappe simultanément un atome dans le milieu. "Avec notre méthode, d'autre part, " dit Peters, "une faible intensité lumineuse peut suffire." Ceci est possible car les atomes sont confinés dans la même zone étroite que le faisceau laser à l'intérieur de la fibre creuse, maximisant ainsi le contact entre la lumière et le nuage atomique. Par conséquent, la probabilité que deux photons frappent un atome simultanément est relativement élevée même lorsque l'intensité lumineuse est faible. Donc la même astuce technique qui permet d'arrêter les photons devrait aussi créer une nouvelle méthode pour l'optique non linéaire.

L'équipe basée à Darmstadt a plus d'idées sur la façon d'appliquer son nouveau processus. L'un d'eux implique une source commutable pour les photons uniques. Une autre consiste à créer un cristal fait de photons. Les cristaux sont généralement constitués d'atomes disposés dans une grille absolument régulière, comparable à des sphères en couches. Un grand nombre de photons arrêtés pourrait également former une grille ordonnée. "Nous pourrions utiliser cela pour simuler un solide, " dit Peters. La physique des matériaux solides est un domaine de recherche actif. Les modèles théoriques sont utilisés dans la recherche pour mieux les comprendre, souvent par le biais de simulations informatiques. Mais les modèles sont si complexes qu'ils submergent rapidement les ordinateurs. Les chercheurs sont donc chercher d'autres façons d'imiter les cristaux.Un solide simulé fait de photons serait une façon de le faire.

"Nous continuons à travailler intensément sur ce sujet, " dit Peters. Selon le physicien, la collaboration avec d'autres groupes de recherche est cruciale pour le succès. L'équipe a réalisé le travail actuel en collaboration avec des groupes de Taïwan et de Bulgarie dans le cadre d'un projet financé par l'UE. Des partenaires industriels sont également impliqués dans le projet de recherche, dont l'objectif est de développer des technologies innovantes pour l'interaction de la lumière avec la matière. « L'échange est très actif, » se réjouit Peters. Les prochains succès ne tarderont pas.