Dans une nouvelle recherche révolutionnaire, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université du Minnesota Twin Cities a mis au point un processus unique pour produire un état quantique à la fois lumière et matière.

La découverte fournit de nouvelles informations fondamentales pour développer plus efficacement la prochaine génération de dispositifs optiques et électroniques quantiques. La recherche pourrait également avoir un impact sur l'augmentation de l'efficacité des réactions chimiques à l'échelle nanométrique.

La recherche est publiée dans Photonique de la nature .

La science quantique étudie les phénomènes naturels de la lumière et de la matière aux plus petites échelles. Dans cette étude, les chercheurs ont développé un processus unique dans lequel ils ont réalisé un "couplage ultra-fort" entre la lumière infrarouge (photons) et la matière (vibrations atomiques) en piégeant la lumière dans de minuscules, trous annulaires dans une fine couche d'or. Ces trous étaient aussi petits que deux nanomètres, ou environ 25, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.

Ces nanocavités, similaire à une version très réduite des câbles coaxiaux utilisés pour envoyer des signaux électriques (comme le câble qui entre dans votre téléviseur), étaient remplis de dioxyde de silicium, qui est essentiellement le même que le verre à vitre. Méthodes de fabrication uniques, basé sur des techniques développées dans l'industrie des puces informatiques, permettent de produire des millions de ces cavités simultanément, avec tous présentant simultanément ce couplage photon-vibration ultrafort.

"D'autres ont étudié le couplage fort de la lumière et de la matière, mais avec ce nouveau processus pour concevoir une version nanométrique de câbles coaxiaux, nous repoussons les frontières du couplage ultra-fort, ce qui signifie que nous découvrons de nouveaux états quantiques où la matière et la lumière peuvent avoir des propriétés très différentes et des choses inhabituelles commencent à se produire, " dit Sang-Hyun Oh, professeur de génie électrique et informatique à l'Université du Minnesota et auteur principal de l'étude. "Ce couplage ultrafort de la lumière et des vibrations atomiques ouvre toutes sortes de possibilités pour développer de nouveaux dispositifs quantiques ou modifier des réactions chimiques."

L'interaction entre la lumière et la matière est au cœur de la vie sur terre :elle permet aux plantes de convertir la lumière du soleil en énergie et elle nous permet de voir les objets qui nous entourent. Lumière infrarouge, avec des longueurs d'onde beaucoup plus longues que ce que nous pouvons voir avec nos yeux, interagit avec les vibrations des atomes dans les matériaux. Par exemple, lorsqu'un objet est chauffé, les atomes qui composent l'objet se mettent à vibrer plus vite, émettant plus de rayonnement infrarouge, permettant des caméras d'imagerie thermique ou de vision nocturne.

Inversement, les longueurs d'onde du rayonnement infrarouge qui sont absorbées par les matériaux dépendent des types d'atomes qui composent les matériaux et de leur disposition, afin que les chimistes puissent utiliser l'absorption infrarouge comme « empreinte digitale » pour identifier différents produits chimiques.

Ces applications et d'autres peuvent être améliorées en augmentant la force avec laquelle la lumière infrarouge interagit avec les vibrations atomiques dans les matériaux. Cette, à son tour, peut être accompli en piégeant la lumière dans un petit volume qui contient les matériaux. Le piégeage de la lumière peut être aussi simple que de la faire réfléchir d'avant en arrière entre une paire de miroirs, mais des interactions beaucoup plus fortes peuvent être réalisées si des structures métalliques à l'échelle nanométrique, ou 'nanocavités, ' sont utilisées pour confiner la lumière sur des échelles de longueur ultra-petites.

Quand cela arrive, les interactions peuvent être suffisamment fortes pour que la nature quantique de la lumière et des vibrations entre en jeu. Dans de telles conditions, l'énergie absorbée est transférée entre la lumière (photons) dans les nanocavités et les vibrations atomiques (phonons) dans le matériau à un rythme suffisamment rapide pour que le photon lumineux et le phonon de matière ne puissent plus être distingués. Dans de telles conditions, ces modes fortement couplés donnent lieu à de nouveaux objets de mécanique quantique qui sont à la fois lumière et vibration, connu sous le nom de polaritons.

Plus l'interaction devient forte, l'étranger les effets de la mécanique quantique qui peuvent se produire. Si l'interaction devient suffisamment forte, il peut être possible de créer des photons à partir du vide, ou de faire se dérouler des réactions chimiques d'une manière qui serait autrement impossible.

"C'est fascinant que, dans ce régime de couplage, le vide n'est pas vide. Au lieu, il contient des photons avec des longueurs d'onde déterminées par les vibrations moléculaires. De plus, ces photons sont extrêmement confinés et sont partagés par un nombre infime de molécules, " a déclaré le professeur Luis Martin-Moreno de l'Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en Espagne, un autre auteur de l'article.

"Normalement, nous pensons que le vide n'est fondamentalement rien, mais il s'avère que cette fluctuation du vide existe toujours, " Oh a dit. " C'est une étape importante pour exploiter réellement cette soi-disant fluctuation d'énergie zéro pour faire quelque chose d'utile. "