Décrire l'interaction lumière-matière quantifiée peut être une tâche fastidieuse qui nécessite de nombreux blocs de construction pour s'additionner correctement, un peu comme construire la porte de Berlin à partir de pierres individuelles (à droite). Schaefer et al. trouvé une nouvelle façon de remodeler les équations décrivant la matière afin qu'elles représentent une grande partie de la lumière quantique, un peu comme sculpter la porte de Berlin dans une pierre individuelle plutôt que de la construire bloc par bloc. Crédit :Joerg Harms / MPSD
Lorsque la lumière interagit avec la matière, par exemple, lorsqu'un faisceau laser frappe un matériau bidimensionnel comme le graphène, il peut modifier substantiellement le comportement du matériau. Selon la forme d'interaction entre la lumière et la matière, certaines réactions chimiques apparaissent différemment, les substances deviennent magnétiques ou ferroélectriques ou commencent à conduire l'électricité sans aucune perte. Dans des cas particulièrement passionnants, une source de lumière réelle peut même ne pas être nécessaire parce que la simple possibilité pour la lumière d'exister, c'est à dire., son équivalent quantique, les photons, peut changer le comportement de la matière. Les scientifiques théoriques tentent de décrire et de prédire ces phénomènes fascinants car ils pourraient être cruciaux dans le développement de nouvelles technologies quantiques.
Cependant, le calcul des interactions quantiques lumière-matière consomme non seulement énormément de temps et de puissance de calcul, mais devient également très lourd. Décrire l'interaction forte entre un matériau réaliste et des photons consomme facilement des milliers d'euros. Maintenant, des scientifiques du département de théorie de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg ont trouvé un moyen de simplifier certains de ces calculs. Leur travail, maintenant publié dans PNAS , constitue une étape importante vers l'intégration de la nature quantique de la lumière dans les appareils modernes.
"Imaginez qu'on vous donne un ensemble de briques de construction pour construire un modèle de la célèbre porte de Berlin, " dit Christian Schäfer, auteur principal de l'étude. "Intuitivement, nous commençons à placer les pierres les unes sur les autres pour ressembler à la forme de la porte, mais avec chaque pierre, la construction devient plus instable et coûteuse. De la même manière, car il faut parfois considérer plusieurs centaines de photons, nos calculs peuvent devenir extrêmement complexes et le coût de nos prédictions théoriques s'envole très rapidement. En réalité, ce coût est si prohibitif que prédire l'interaction complète entre de nombreux photons et molécules réalistes est de facto impossible à calculer, même sur les super-ordinateurs existants les plus rapides et les plus gros."
Maintenant, l'équipe MPSD, basé au Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) à Hambourg, a trouvé un moyen simple mais brillant de contourner ce problème. En reformulant l'équation pour que la partie matérielle elle-même rende compte de l'incertitude quantique de la lumière, beaucoup moins de photons supplémentaires sont nécessaires pour décrire le système combiné de la lumière quantique et de la matière.
"En effet, nous avons construit la porte de Berlin en la taillant dès la première pierre pour arriver à peu près au même résultat, " explique Schäfer. " Cela nous permet de décrire l'interaction quantique entre la lumière et la matière avec un coût supplémentaire très faible par rapport à la simple considération du matériau. "
Pour prendre un exemple, lorsque l'interaction entre la lumière et la matière devient si forte que les deux systèmes deviennent véritablement entrelacés, chaque configuration possible du champ lumineux peut exiger la prise en compte de centaines de photons. La nouvelle approche peut capturer la plupart des caractéristiques de cette limite extrême sans qu'il soit nécessaire de considérer le moindre photon. Il suffit alors d'ajouter quelques photons pour donner une image complète.
La méthode permet des économies considérables en temps de calcul et fournit un cadre aux scientifiques pour prédire l'interaction entre la lumière quantique et la matière pour des systèmes réalistes dans des situations difficiles à simuler. « Notre approche peut servir de base solide pour les développements futurs, fournir une voie pour intégrer plus fortement la lumière quantique dans la chimie, conception matérielle et technologie quantique, " Schäfer dit. " Dans le formalisme général de nombreux effets nouveaux pourraient encore attendre la découverte, " ajoute Angel Rubio, directeur de MPSD Theory. " L'ingénierie des matériaux et des complexes moléculaires par la lumière devient une réalité. Nous nous lançons dans un long et passionnant voyage pour explorer toutes ses implications potentielles dans les nouvelles technologies quantiques et le travail de l'équipe constitue une étape importante sur cette voie. »
