Une équipe de recherche de NTNU étudie un sujet appelé cavités optiques et comment la lumière piégée dans celles-ci interagit avec les atomes, les molécules et d'autres particules. La technologie pourrait s'avérer précieuse pour le développement de procédés chimiques économes en énergie ou la synthèse de médicaments, par exemple.

Les travaux du professeur Henrik Koch et du Ph.D. candidats Rosario R. Riso, Tor S. Haugland et Marcus T. Lexander ont montré des résultats surprenants et attirent l'attention.

"Nous avons observé une méthode efficace pour décrire les molécules dans les cavités optiques", déclare le professeur Koch, qui travaille à la fois au département de chimie de NTNU à la faculté des sciences naturelles et à la Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) en Italie.

Leurs résultats ont été récemment publiés dans Physical Review X et Communication Nature .

Cavités optiques ?

Mais que sont exactement les cavités optiques ? Tout d'abord, rappelez-vous qu'à cette échelle, le monde semble un peu différent de celui auquel la plupart d'entre nous sommes habitués.

En mécanique quantique, les particules et les ondes sont indiscernables car elles ont ce qu'on appelle une dualité onde-particule, ou une fonction d'onde.

On ne peut pas non plus distinguer les particules de la lumière dans les cavités optiques, qui ont une dualité molécule-lumière. Ce couplage crée de nouvelles couleurs et propriétés dans les molécules qui peuvent être utilisées dans des processus chimiques et physiques.

Miroirs réfléchissants

Des cavités optiques peuvent être créées en utilisant deux miroirs extrêmement proches l'un de l'autre, généralement à des nanomètres l'un de l'autre. Pour comprendre les molécules, il faut regarder l'environnement dans lequel elles se trouvent.

Tous les atomes et molécules, comme l'oxygène dans les aurores boréales, émettent de la lumière parce qu'ils interagissent avec une lumière faible qui est toujours présente dans le vide ou l'espace "vide". La particularité dans ce cas est que la lumière dans une cavité optique vide n'est pas la même que la lumière dans le vide à l'extérieur. Placer une molécule à l'intérieur de la cavité changera à la fois la couleur et l'intensité de la lumière émanant de la molécule.

"Dans une cavité optique constituée de miroirs réfléchissants, les molécules peuvent interagir fortement avec le vide de la mécanique quantique", explique Koch.

L'équipe de recherche travaille exclusivement avec des simulations, il est donc important de collaborer avec un groupe expérimental qui peut tester si les théories de l'équipe sont correctes.

À cette fin, l'équipe de recherche travaille avec le professeur John de Mello et Ph.D. candidat Enkui Lian de NTNU Nano pour fabriquer des prototypes à utiliser dans la recherche.

Une théorie commune

La théorie des orbites moléculaires est un outil théorique important en chimie et est largement utilisée en chimie inorganique et organique pour comprendre les réactions chimiques.

"We've found the first consistent molecular orbital theory for quantum electrodynamics—that is, a molecular orbital theory for molecules in optical cavities," says Koch.

Using this theory, scientists can predict how molecules will react inside optical cavities, as well as what kinds of colors and properties the molecules will have. + Explorer plus loin

Accurate theoretical modeling unravels changes in molecules interacting with quantum light