Un dispositif optique à l'échelle nanométrique qui permet à la lumière de passer dans une seule direction a été développé à la TU Wien (Vienne). Il se compose d'atomes alcalins couplés à des fibres de verre ultrafines.
Si la lumière peut se propager de gauche à droite, la direction opposée est généralement également autorisée. Un faisceau lumineux peut normalement être renvoyé à son point d'origine, juste en le réfléchissant sur un miroir. Des chercheurs de la TU Wien ont développé un nouveau dispositif pour enfreindre cette règle. Comme dans une diode électrique, qui ne laisse passer le courant que dans un sens, ce dispositif à base de fibre de verre ne transmet la lumière que dans une seule direction. La règle à sens unique est valable même si l'impulsion de lumière qui traverse la fibre n'est constituée que de quelques photons. Une telle rue à sens unique pour la lumière peut maintenant être utilisée pour les puces optiques et peut donc devenir importante pour le traitement du signal optique.
Traitement du signal optique au lieu de l'électronique
Les éléments qui laissent passer la lumière dans un seul sens sont appelés "isolateurs optiques". "En principe, ces composants existent depuis longtemps", dit Arno Rauschenbeutel, du Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques de l'Atominstitut de la TU Wien. "La plupart des isolateurs optiques, cependant, sont basés sur l'effet Faraday :un champ magnétique puissant est appliqué à un matériau transparent entre deux filtres de polarisation croisés. La direction du champ magnétique détermine alors la direction dans laquelle la lumière est autorisée à passer."
Pour des raisons techniques, les appareils utilisant l'effet Faraday ne peuvent pas être construits à l'échelle nanométrique - un fait malheureux, car cela aurait de nombreuses applications intéressantes. "Aujourd'hui, les chercheurs cherchent à construire des circuits optiques intégrés, similaires à leurs homologues électroniques", dit Rauschenbeutel. D'autres méthodes pour briser cette symétrie ne fonctionnent qu'à des intensités très élevées. Mais en nanotechnologie, un but ultime est de travailler avec des signaux lumineux extrêmement faibles, qui peut même consister en des photons individuels.
Fibres de verre et atomes
L'équipe d'Arno Rauschenbeutel a choisi une approche complètement différente :des atomes alcalins ont été couplés au champ lumineux d'une fibre de verre ultrafine. Dans une fibre de verre, la lumière peut se propager vers l'avant ou vers l'arrière. Il y a, cependant, une autre propriété de la lumière dont il faut tenir compte :le sens d'oscillation de l'onde lumineuse, aussi appelé polarisation.
L'interaction de la lumière et de la fibre de verre modifie l'état d'oscillation de la lumière. "La polarisation tourne, un peu comme le rotor d'un hélicoptère", dit Arno Rauschenbeutel. Le sens de rotation varie selon que la lumière se déplace vers l'avant ou vers l'arrière. Dans un cas, l'onde lumineuse oscille dans le sens des aiguilles d'une montre et dans l'autre, dans le sens antihoraire. La direction de propagation et l'état d'oscillation de l'onde lumineuse sont liés l'un à l'autre.
Si les atomes alcalins sont préparés dans le bon état quantique et couplés à la lumière dans la fibre de verre ultrafine, il est possible de les faire réagir différemment aux deux sens de rotation de la lumière. "La lumière vers l'avant n'est pas affectée par les atomes. Cependant, la lumière qui recule et par conséquent tourne dans l'autre sens, se couple aux atomes alcalins et est dispersé hors de la fibre de verre", dit Arno Rauschenbeutel.
L'état atomique comme commutateur quantique
Cet effet a été démontré de deux manières différentes à la TU Wien :Dans la première approche, environ 30 atomes ont été placés le long de la fibre de verre. Lors de l'envoi de la lumière, une transmission élevée de près de 80 % a été mesurée pour un sens de propagation alors qu'elle était dix fois moindre dans l'autre sens. Dans la seconde approche, un seul atome de rubidium a été utilisé. Dans ce cas, la lumière a été temporairement stockée dans un microrésonateur optique, afin qu'il puisse interagir avec l'atome pendant un temps relativement long. Par ici, un contrôle similaire sur la transmission pourrait être obtenu.
"Quand on n'utilise qu'un seul atome, nous avons un contrôle beaucoup plus subtil du processus", dit Rauschenbeutel. "On peut préparer l'atome dans une superposition quantique des deux états possibles, pour qu'il bloque la lumière et la laisse passer en même temps." Selon la physique classique, ce serait impossible, mais la physique quantique permet de telles combinaisons. Cela ouvrirait la porte à de nouveaux, possibilités passionnantes pour le traitement optique de l'information quantique.
