Des scientifiques de l'Université de Bath au Royaume-Uni ont trouvé un moyen de lier deux photons de couleurs différentes, ouvrant la voie à d'importants progrès en électrodynamique quantique, le domaine scientifique qui décrit comment la lumière et la matière interagissent. À l'heure, les découvertes de l'équipe sont susceptibles d'avoir un impact sur les développements de la communication optique et quantique, et des mesures de précision de fréquence, temps et distances.

Pomme et vague :elles ont toutes les deux une masse

Une pomme tombant d'un arbre a une vitesse et une masse, qui ensemble lui donnent de l'élan. « L'énergie de la pomme » dérivée du mouvement dépend de la quantité de mouvement et de la masse du fruit.

La plupart des gens trouvent le concept de quantité de mouvement et d'énergie (et donc de masse) facile à saisir lorsqu'il est associé à des objets solides. Mais l'idée que les objets immatériels, telles que les ondes lumineuses (de la lumière du soleil au rayonnement laser), aussi avoir une masse est surprenant pour beaucoup. Chez les physiciens, cependant, c'est un fait bien connu. Cette idée apparemment paradoxale que les ondes ont une masse marque le lieu où la physique quantique et le monde physique se rejoignent.

La dualité onde-particule, proposé par le physicien français Louis de Broglie en 1924, est un concept puissant qui décrit comment chaque particule ou entité quantique peut être décrite comme une particule ou une onde. De nombreuses quasiparticules ont été découvertes qui combinent soit deux types différents de particules de matière, ou des ondes lumineuses liées à une particule de matière. Une liste de quasiparticules exotiques comprend des phonons, plasmons, magnons et polaritons.

L'équipe de physiciens de Bath a maintenant signalé un moyen de créer des quasi-particules qui lient deux particules de lumière de couleurs différentes. Ils ont nommé ces formations des polaritons photon-photon.

Détection des polaritons photon-photon

L'occasion de découvrir, et manipuler, photon-photons est possible grâce au développement relativement récent de microrésonateurs de haute qualité. Pour la lumière, les microrésonateurs agissent comme des circuits miniatures, avec des photons zippés autour de la structure interne en boucles. La signature laissée par les photons-photons dans la lumière sortant du microrésonateur peut être liée à l'effet Autler-Townes, un phénomène particulier en théorie quantique qui décrit de fortes interactions photon-atome. Pour obtenir cet effet dans les microrésonateurs, un laser est accordé à la fréquence de résonance spécifique où un photon est censé être absorbé, pourtant aucune absorption de résonance ne se produit. Au lieu, l'interaction photon-photon constitue deux nouvelles fréquences de résonance éloignées de l'ancienne.

Une caractéristique importante qui a émergé de la recherche de Bath est que le microrésonateur a fourni tout un ensemble de résonances divisées, où chaque paire photon-photon affichait sa propre impulsion et énergie, permettant aux chercheurs d'appliquer le concept de quasiparticule et de calculer la masse. Selon les prédictions des chercheurs, photon-photons sont 1, 000+ fois plus léger que les électrons.

Professeur Dmitri Skryabine, le physicien qui a dirigé la recherche, a déclaré:"Nous avons maintenant une situation où les microrésonateurs - qui sont des objets à l'échelle millimétrique - se comportent comme des atomes géants. Le concept d'atomes artificiels gagne rapidement du terrain dans l'électrodynamique quantique des micro-ondes dans les circuits supraconducteurs, alors qu'ici, nous examinons une opportunité similaire dans la gamme de fréquences optiques.

"La petite masse de photons-photons pourrait conduire à d'autres développements de nombreuses analogies importantes entre la lumière et les fluides, où d'autres familles de quasiparticules ont déjà été utilisées."

doctorat étudiant Vlad Pankratov, qui ont participé au projet, a déclaré :« Après un an d'exécution de modèles et de collecte de données, ce sont des découvertes incroyablement excitantes pour nous. Les applications potentielles de nos résultats sont dans les schémas de communication optique térabit et quantique, et dans le domaine des mesures de précision.

L'article "Photon-photon polaritons in (2) microresonators" est publié dans Examen physique de la recherche .