Physiciens de l'Université de technologie Chalmers en Suède, avec des collègues en Russie et en Pologne, ont réussi à réaliser un couplage ultra-fort entre la lumière et la matière à température ambiante. La découverte est importante pour la recherche fondamentale et pourrait ouvrir la voie à des avancées dans les sources lumineuses, nanomachines et technologie quantique.

Un ensemble de deux oscillateurs couplés est l'un des systèmes les plus fondamentaux et les plus largement utilisés en physique. C'est un modèle de jouet très général qui décrit une pléthore de systèmes comprenant des cordes de guitare, résonateurs acoustiques, la physique des balançoires pour enfants, molécules et réactions chimiques, systèmes liés gravitationnellement, et l'électrodynamique de la cavité quantique.

Le degré de couplage entre les deux oscillateurs est un paramètre important qui détermine principalement le comportement du système couplé. Cependant, on ne sait pas grand-chose sur la limite supérieure par laquelle deux pendules peuvent se coupler et quelles conséquences un tel couplage peut avoir.

Les résultats nouvellement présentés, Publié dans Communication Nature , offrent un aperçu du domaine du couplage dit ultra-fort, dans lequel la force de couplage devient comparable à la fréquence de résonance des oscillateurs. Le couplage dans ce travail est réalisé par l'interaction entre la lumière et les électrons dans un système minuscule composé de deux miroirs d'or séparés par une petite distance et de nanotiges d'or plasmoniques. Sur une surface cent fois plus petite que la pointe d'un cheveu humain, les chercheurs ont montré qu'il est possible de créer une interaction ultra-forte contrôlable entre la lumière et la matière dans des conditions ambiantes, c'est-à-dire à température ambiante et pression atmosphérique.

« Nous ne sommes pas les premiers à réaliser un couplage ultra-fort. Mais généralement, champs magnétiques puissants, un vide poussé et des températures extrêmement basses sont nécessaires pour atteindre un tel degré de couplage. Lorsque vous pouvez l'effectuer dans un laboratoire ordinaire, il permet à plus de chercheurs de travailler dans ce domaine et il apporte des connaissances précieuses à la frontière entre nanotechnologie et optique quantique, " dit Denis Baranov, chercheur à l'Université de technologie Chalmers et premier auteur de l'article scientifique.

Un duo unique où lumière et matière se mêlent en un objet commun

Pour comprendre le système que les auteurs ont réalisé, on peut imaginer un résonateur, dans ce cas représenté par deux miroirs en or séparés de quelques centaines de nanomètres, comme un seul ton dans la musique. Les nanotiges fabriquées entre les miroirs affectent la façon dont la lumière se déplace entre les miroirs et modifient leur fréquence de résonance. Au lieu de sonner comme une seule tonalité, dans le système couplé, le ton se divise en deux :un ton inférieur et un ton supérieur.

La séparation énergétique entre les deux nouveaux pas représente la force de l'interaction. Spécifiquement, dans le boîtier de couplage ultra-fort, la force de l'interaction est si grande qu'elle devient comparable à la fréquence du résonateur d'origine. Cela conduit à un duo unique dans lequel la lumière et la matière se mêlent en un objet commun, formant des quasi-particules appelées polaritons. Le caractère hybride des polaritons fournit un ensemble de propriétés optiques et électroniques intrigantes.

Le nombre de nanotiges d'or prises en sandwich entre les miroirs contrôle la force de l'interaction. Mais en même temps, il contrôle l'énergie dite du point zéro du système. En augmentant ou en diminuant le nombre de tiges, il est possible de fournir ou de retirer de l'énergie de l'état fondamental du système et ainsi d'augmenter ou de diminuer l'énergie stockée dans le boîtier du résonateur.

La découverte permet aux chercheurs de jouer avec les lois de la nature

Notamment, les auteurs ont indirectement mesuré comment le nombre de nanotiges modifie l'énergie du vide en "écoutant" les sons du système couplé, c'est-à-dire regarder les spectres de transmission de la lumière à travers les miroirs avec les nanotiges et effectuer des mathématiques simples. Les valeurs résultantes se sont avérées comparables à l'énergie thermique, ce qui peut conduire à des phénomènes observables dans le futur.

"Un concept pour créer un couplage ultra-fort contrôlable à température ambiante dans des systèmes relativement simples peut offrir un banc d'essai pour la physique fondamentale. Le fait que ce couplage ultra-fort "coûte" de l'énergie pourrait conduire à des effets observables, par exemple, il pourrait modifier la réactivité des produits chimiques ou adapter les interactions de van der Waals. Le couplage ultra-fort permet une variété de phénomènes physiques intrigants, " dit Timur Shegai, Professeur agrégé à Chalmers et dernier auteur de l'article scientifique.

En d'autres termes, cette découverte permet aux chercheurs de jouer avec les lois de la nature et de tester les limites du couplage.

"Comme le sujet est assez fondamental, les applications potentielles peuvent varier. Notre système permet d'atteindre des niveaux de couplage encore plus forts, quelque chose connu sous le nom de couplage fort et profond. Nous ne savons toujours pas exactement quelle est la limite de couplage dans notre système, mais il est clairement beaucoup plus élevé que ce que nous voyons maintenant. Surtout, la plateforme qui permet d'étudier le couplage ultra-fort est désormais accessible à température ambiante, " dit Timur Shegai.