Des physiciens de l'EPFL ont trouvé pour la première fois un moyen de faire interagir des photons avec des paires d'atomes. La percée est importante pour le domaine de l'électrodynamique quantique de cavité (QED), un domaine de pointe ouvrant la voie aux technologies quantiques.

Il ne fait aucun doute que nous nous dirigeons progressivement vers une ère de technologies basées sur la physique quantique. Mais pour y arriver, nous devons d'abord maîtriser la capacité de faire interagir la lumière avec la matière - ou plus techniquement, photons avec des atomes.

Cela a déjà été atteint dans une certaine mesure, nous donnant le domaine de pointe de l'électrodynamique quantique de cavité (QED), qui est déjà utilisé dans les réseaux quantiques et le traitement de l'information quantique. Néanmoins, il y a encore un long chemin à parcourir. Les interactions lumière-matière actuelles sont limitées à des atomes individuels, ce qui limite notre capacité à les étudier dans le type de systèmes complexes impliqués dans les technologies quantiques.

Dans un article publié en La nature , des chercheurs du groupe de Jean-Philippe Brantut à la Faculté des sciences fondamentales de l'EPFL ont trouvé un moyen de faire "mélanger" des photons avec des paires d'atomes à des températures ultra-basses.

Les chercheurs ont utilisé ce qu'on appelle un gaz de Fermi, un état de la matière fait d'atomes qui ressemble à celui des électrons dans les matériaux. "En l'absence de photons, le gaz peut être préparé dans un état où les atomes interagissent très fortement les uns avec les autres, former des paires faiblement liées, " explique Brantut. " Comme la lumière est envoyée sur le gaz, certaines de ces paires peuvent être transformées en molécules liées chimiquement en absorbant avec des photons. »

Un concept clé de ce nouvel effet est qu'il se produit « de manière cohérente, " ce qui signifie que le photon peut être absorbé pour transformer une paire d'atomes en une molécule, puis émis en retour, puis réabsorbé plusieurs fois. "Cela implique que le système paire-photon forme un nouveau type de 'particule' - techniquement une excitation - que nous appelons 'paire-polariton, ' », dit Brantut. « Ceci est rendu possible dans notre système, où les photons sont confinés dans une « cavité optique », une boîte fermée qui les oblige à interagir fortement avec les atomes. »

Les paires-polaritons hybrides prennent certaines des propriétés des photons, ce qui signifie qu'ils peuvent être mesurés avec des méthodes optiques. Ils reprennent également certaines des propriétés du gaz de Fermi, comme le nombre de paires d'atomes qu'il avait à l'origine avant les photons entrants.

"Certaines des propriétés très complexes du gaz se traduisent par des propriétés optiques, qui peut être mesuré de manière directe, et même sans perturber le système, " dit Brantut. " Une future application serait en chimie quantique, puisque nous démontrons que certaines réactions chimiques peuvent être produites de manière cohérente à l'aide de photons uniques."