Les chercheurs ont démontré une nouvelle interface lumière-matière, réaliser le miroir le plus léger possible formé d'une monocouche de 200 atomes. Crédit :Institut Max Planck d'optique quantique
Les physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont conçu le miroir optique le plus léger imaginable. Le nouveau métamatériau est constitué d'une seule couche structurée qui n'est constituée que de quelques centaines d'atomes identiques. Les atomes sont disposés dans le réseau bidimensionnel d'un réseau optique formé par des faisceaux laser interférents. Les résultats de la recherche sont les premières observations expérimentales de ce type dans un nouveau domaine d'optique quantique sous-longueur d'onde avec des atomes ordonnés qui n'a fait son apparition que récemment. Jusque là, le miroir est unique en son genre. Les résultats sont aujourd'hui publiés dans La nature .
D'habitude, les miroirs utilisent des surfaces métalliques hautement polies ou des verres optiques spécialement revêtus pour améliorer les performances dans des poids plus petits. Mais les physiciens du MPQ ont maintenant démontré pour la toute première fois que même une seule couche structurée de quelques centaines d'atomes pouvait déjà former un miroir optique, ce qui en fait le plus léger imaginable. Le nouveau miroir n'a que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, qui est mille fois plus fin que la largeur d'un cheveu humain. Le reflet, cependant, est si fort qu'il pourrait même être perçu avec l'œil humain pur.
Le mécanisme derrière le miroir
Le miroir fonctionne avec des atomes identiques disposés en un réseau à deux dimensions. Ils sont ordonnés selon un motif régulier avec un espacement inférieur à la longueur d'onde de transition optique de l'atome, caractéristiques à la fois typiques et nécessaires des métamatériaux. Les métamatériaux sont des structures conçues artificiellement avec des propriétés très spécifiques que l'on trouve rarement à l'état naturel. Ils tirent leurs propriétés non pas des matériaux qui les composent, mais des structures spécifiques avec lesquelles ils sont conçus. Les caractéristiques - le motif régulier et l'espacement des sous-longueurs d'onde - et leur interaction sont les deux mécanismes cruciaux derrière ce nouveau type de miroir optique. Tout d'abord, le motif régulier et l'espacement sous-longueur d'onde des atomes suppriment tous deux une diffusion diffuse de la lumière, regrouper la réflexion dans un faisceau de lumière unidirectionnel et stable. Seconde, en raison de la distance relativement proche et discrète entre les atomes, un photon entrant peut rebondir plus d'une fois entre les atomes avant d'être réfléchi. Les deux effets, la diffusion supprimée de la lumière et le rebond des photons, conduire à une « réponse coopérative renforcée au champ extérieur, " ce qui veut dire dans ce cas :une réflexion très forte.
Jun Rui et David Wei, les deux premiers auteurs de l'article, devant leur dispositif expérimental complexe qui abrite en son cœur invisible à l'œil humain le miroir le plus léger possible, un miroir fait d'atomes. Crédit :Institut Max Planck d'optique quantique
Avancées sur la voie de dispositifs quantiques plus efficaces
Avec un diamètre d'environ sept microns, le miroir lui-même est si petit qu'il est bien au-delà de la reconnaissance visuelle. L'appareil dans lequel le dispositif est créé, cependant, est énorme. Entièrement dans le style avec d'autres expériences d'optique quantique, il compte plus d'un millier de composants optiques simples et pèse environ deux tonnes. Par conséquent, le nouveau matériau n'aurait guère d'impact sur les miroirs de commodité que les gens utilisent quotidiennement. L'influence scientifique de l'autre côté peut être de grande envergure.
"Les résultats sont très excitants pour nous. Comme dans les ensembles en vrac dilués typiques, corrélations à médiation photonique entre les atomes, qui jouent un rôle vital dans notre système, sont généralement négligés dans les théories traditionnelles de l'optique quantique. D'autre part, des réseaux ordonnés d'atomes fabriqués en chargeant des atomes ultrafroids dans des réseaux optiques ont été principalement exploités pour étudier des simulations quantiques de modèles de matière condensée. Mais il s'avère maintenant être une plate-forme puissante pour étudier également les nouveaux phénomènes optiques quantiques, " explique Jun Rui, Chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article.
Des recherches supplémentaires le long de ce scénario pourraient approfondir la compréhension fondamentale des théories quantiques de l'interaction lumière-matière, physique à N corps avec photons optiques, et permettre l'ingénierie de dispositifs quantiques plus efficaces.
« De nombreuses nouvelles opportunités passionnantes ont été ouvertes, comme une approche intrigante pour étudier l'optomécanique quantique, qui est un domaine croissant d'étude de la nature quantique de la lumière avec des dispositifs mécaniques. Ou, nos travaux pourraient également aider à créer de meilleures mémoires quantiques ou même à construire un miroir optique commutable quantique, " ajoute David Wei, Chercheur doctorant et deuxième auteur. "Ce sont deux avancées intéressantes pour le traitement de l'information quantique."
