Il y a environ 10 ans, des chercheurs de l'Université de Bonn ont produit un état extrême de photons agrégés, un seul "super-photon" composé de plusieurs milliers de particules lumineuses individuelles, et a présenté une toute nouvelle source de lumière. L'état est appelé un condensat optique de Bose-Einstein et a captivé de nombreux physiciens depuis, parce que ce monde exotique de particules de lumière abrite ses propres phénomènes physiques. Des chercheurs dirigés par le Prof. Dr. Martin Weitz, qui a découvert le super photon, et le physicien théoricien Prof. Dr. Johann Kroha rapportent maintenant une nouvelle observation :une phase dite suramortie, une transition de phase jusque-là inconnue dans le condensat optique de Bose-Einstein. L'étude a été publiée dans la revue Science .

Le condensat de Bose-Einstein est un état physique extrême qui ne se produit généralement qu'à très basse température. Les particules de ce système ne sont plus distinguables et sont majoritairement dans le même état de mécanique quantique; en d'autres termes, ils se comportent comme une seule "superparticule" géante. L'état peut donc être décrit par une seule fonction d'onde.

En 2010, des chercheurs dirigés par Martin Weitz ont réussi pour la première fois à créer un condensat de Bose-Einstein à partir de particules lumineuses (photons). Leur système spécial est toujours utilisé aujourd'hui :les physiciens piègent les particules lumineuses dans un résonateur composé de deux miroirs incurvés espacés d'un peu plus d'un micromètre qui réfléchissent un faisceau de lumière à mouvement alternatif rapide. L'espace est rempli d'une solution de colorant liquide, qui sert à refroidir les photons. Les molécules de colorant "avalent" les photons puis les crachent à nouveau, qui amène les particules légères à la température de la solution colorante, équivalente à la température ambiante. Le système permet de refroidir les particules légères car leur caractéristique naturelle est de se dissoudre lorsqu'elles sont refroidies.

Séparation claire de deux phases

Une transition de phase est ce que les physiciens appellent la transition entre l'eau et la glace pendant la congélation. Mais comment se produit la transition de phase particulière au sein du système de particules lumineuses piégées ? Les scientifiques l'expliquent ainsi :les miroirs quelque peu translucides provoquent la perte et le remplacement des photons, créant un non-équilibre qui fait que le système n'assume pas une température définie et se met en oscillation. Cela crée une transition entre cette phase oscillante et une phase amortie. Amorti signifie que l'amplitude de la vibration diminue.

"La phase suramortie que nous avons observée correspond à un nouvel état du champ lumineux, pour ainsi dire, " dit l'auteur principal Fahri Emre Öztürk, doctorant à l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn. La particularité est que l'effet du laser n'est généralement pas séparé de celui du condensat de Bose-Einstein par une transition de phase, et il n'y a pas de frontière nettement définie entre les deux états. Cela signifie que les physiciens peuvent continuellement aller et venir entre les effets.

"Toutefois, dans notre expérience, l'état suramorti du condensat optique de Bose-Einstein est séparé par une transition de phase à la fois de l'état oscillant et d'un laser standard, " déclare le professeur Dr. Martin Weitz, responsable de l'étude. " Cela montre qu'il y a un condensat de Bose-Einstein, qui est vraiment un état différent du laser standard. "En d'autres termes, nous avons affaire à deux phases distinctes du condensat optique de Bose-Einstein, " il dit.

Les chercheurs prévoient d'utiliser leurs résultats comme base pour d'autres études afin de rechercher de nouveaux états du champ lumineux dans plusieurs condensats lumineux couplés, qui peut également se produire dans le système. "Si des états intriqués mécaniquement quantiques appropriés se produisent dans des condensats de lumière couplés, cela peut être intéressant pour transmettre des messages chiffrés quantiques entre plusieurs participants, " dit Fahri Emre Öztürk.