Depuis plusieurs décennies, les physiciens savent que la lumière peut être décrite simultanément comme une onde et une particule. Cette fascinante « dualité » de la lumière est due à la nature classique et quantique des excitations électromagnétiques, les processus par lesquels les champs électromagnétiques sont produits.

Jusque là, dans toutes les expériences dans lesquelles la lumière interagit avec des électrons libres, il a été décrit comme une vague. Chercheurs du Technion—Institut israélien de technologie, cependant, ont récemment rassemblé les premières preuves expérimentales révélant la nature quantique de l'interaction entre les photons et les électrons libres. Leurs découvertes, Publié dans Science , pourrait avoir des implications importantes pour les futures recherches sur les photons et leur interaction avec les électrons libres.

"L'idée de notre étude nous est venue il y a environ deux ans, après notre découverte expérimentale que l'interaction entre un électron libre et la lumière peut maintenir sa cohérence sur des distances cent fois la période optique, " Raphaël Dahan, Alexey Gorlach et Ido Kaminer, trois des chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Vers cette heure-ci, deux ouvrages théoriques importants sont également sortis, qui ont tous deux exploré comment les propriétés quantiques de la lumière devraient changer l'interaction avec les électrons."

Ces deux études théoriques antérieures, l'un par Ofer Kfir à l'Université de Göttingen et l'autre par Javier García de Abajo et ses collègues de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), a prédit un nouveau type d'interaction fondamentale qui se produit entre la lumière et les électrons libres, révélant les propriétés quantiques de la lumière. En s'inspirant de ces importantes prédictions, Kaminer, Dahan, Gorlach et leurs collègues ont commencé à chercher un système dans lequel ils seraient capables d'étudier expérimentalement cette interaction. Plus précisement, les chercheurs ont voulu démontrer que les statistiques quantiques de la lumière peuvent altérer l'interaction électron-lumière.

"Cela nous a conduit à rechercher deux composants importants, " Kaminer, Dahan et Gorlach ont expliqué. "Le premier est un appareil qui aura un meilleur couplage entre l'électron et la lumière, et la seconde est une source photonique qui générera de la lumière quantique avec la plus haute intensité possible."

Pour obtenir une plus grande efficacité de couplage, les chercheurs ont consulté des membres de la communauté de recherche sur les accélérateurs sur puce (ACHIP), qui vise à obtenir une accélération compacte des électrons à l'aide de lasers et à l'intégrer sur puce. Après une série de calculs, l'équipe a découvert que l'efficacité du couplage peut être améliorée cent fois par rapport à ce qui a été suggéré par toutes les expériences précédentes.

« Nous avons d'abord collaboré avec un groupe de Stanford (Solgaard, Angleterre, Leedle, Byer, et leurs étudiants) – ils ont conçu et nous ont fourni une structure ACHIP pour le premier test, " Kaminer, Dahan et Gorlach ont dit. "C'est devenu la première expérience utilisant une puce photonique au silicium à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission, et avait déjà des implications fascinantes, résultant en un autre article qui paraîtra bientôt dans PRX, par Yuval Adiv et al."

Ensuite, Kaminer et ses collègues ont initié une collaboration avec une autre partie de la communauté ACHIP, une équipe dirigée par Peter Hommelhoff à Erlangen en Allemagne. Ce groupe de recherche a fourni les meilleures structures ACHIP au monde nécessaires à Kaminer pour mener cette expérience compliquée.

Pour générer une lumière quantique intense, les chercheurs ont travaillé en étroite collaboration avec le groupe Eisenstein au Technion. Ce groupe leur a permis d'utiliser un type spécial d'amplificateur optique :un instrument qui peut changer les statistiques photoniques quantiques de la lumière d'une distribution poissonienne (comme dans la lumière cohérente classique) à une distribution super-poissonienne.

"Notre étude a été tout un voyage, " a déclaré Dahan. "En combinant tous ces différents éléments et grâce à une expérience très difficile à l'aide de notre microscope électronique à transmission ultrarapide, nous avons atteint notre objectif principal :démontrer la première interaction entre un électron libre et la lumière avec différentes propriétés quantiques."

Kaminer et ses collègues ont finalement pu dévoiler la nature quantique de l'interaction entre les photons et les électrons libres en modifiant continuellement les statistiques des photons tout au long de leur expérience et en montrant comment le spectre d'énergie des électrons change en réponse. Le changement dans les statistiques photoniques qu'ils ont observé variait en fonction de l'intensité de la pompe et du germe laser dans l'amplificateur optique.

La principale interaction explorée par les chercheurs est celle impliquant la lumière d'entrée et les électrons libres. Dans leurs expériences, les électrons agissent comme les détecteurs de l'état de la lumière. Ainsi, en mesurant leur énergie, les chercheurs ont pu extraire des informations quantiques sur la lumière.

Les mesures d'électrons ne peuvent s'expliquer qu'en quantifiant à la fois l'électron et la lumière, comme le prédisaient les articles théoriques dont ils se sont inspirés. "Une seule fois en utilisant cette nouvelle théorie, l'accord avec nos mesures est devenu très bon, " a déclaré Kaminer. " D'un point de vue fondamental, les principales conclusions de notre étude sont :l'interaction entre la lumière quantique et un électron libre, l'émergence de l'intrication dans l'interaction et le principe de correspondance quantique-classique. Ce principe montre l'effet d'une marche quantique par l'électron et sa transition vers une marche aléatoire."

En plus d'ouvrir potentiellement la voie à de nouvelles recherches en physique sur la lumière, les preuves expérimentales pourraient éclairer le développement de plusieurs nouvelles technologies. Cela inclut des outils d'imagerie non destructifs et non invasifs qui peuvent collecter des images haute résolution.

"Premièrement, nous avons montré que l'on peut utiliser des électrons libres pour mesurer les statistiques photoniques quantiques de la lumière, " Kaminer, Dahan et Gorlach ont dit. "Il y a plusieurs avantages de telles mesures qui pourraient être démontrés à l'avenir, par exemple, étant non destructif, ayant une haute résolution temporelle, et se passe dans le champ proche avec une haute résolution spatiale."

Les récents travaux de Kaminer et de son équipe prouvent qu'il est possible de façonner temporairement des électrons en utilisant la lumière à onde continue (CW). Ce résultat pourrait permettre l'intégration de puces photoniques au silicium dans des microscopes électroniques pour améliorer les capacités de la microscopie électronique, par exemple, introduire une résolution temporelle attoseconde dans les microscopes de pointe sans nuire à leur résolution spatiale.

« Nous prévoyons maintenant de poursuivre nos travaux dans deux directions de recherche principales, " Kaminer, Dahan et Gorlach ont dit. "Le premier travaille vers une tomographie d'état quantique complète des champs proches photoniques, comme mesurer la compression de la lumière sur puce sans avoir besoin de découpler la lumière. Une autre direction que nous examinons est la création de lumière quantique à l'aide d'électrons de forme cohérente, suivant la vision que nous avons exposée dans notre récent article théorique qui suggérait cette direction. »

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