Les perturbations simplifient l'étude des "super photons"
Une étude donne un nouvel éclairage sur des propriétés souvent difficiles à observer
Des milliers de particules de lumière peuvent fusionner en une sorte de "super photon" dans des conditions appropriées. Les physiciens appellent cet état un condensat photonique de Bose-Einstein. Des chercheurs de l'université de Bonn viennent de montrer que cet état quantique exotique obéit à un théorème fondamental de la physique. Cette découverte permet désormais de mesurer les propriétés des condensats de Bose-Einstein à photons, qui sont habituellement difficiles d'accès. L'étude a été publiée dans la revue "Nature Communications".
Si de nombreux atomes sont refroidis à une température très basse et confinés dans un petit volume, ils peuvent devenir indiscernables et se comporter comme une seule "superparticule". Les physiciens appellent cela un condensat de Bose-Einstein ou un gaz quantique. Les photons se condensent selon un principe similaire et peuvent être refroidis à l'aide de molécules de colorant. Ces molécules agissent comme de petits réfrigérateurs et avalent les particules de lumière "chaudes" avant de les recracher à la bonne température.
"Dans nos expériences, nous avons rempli un minuscule récipient d'une solution de colorant", explique le Dr Julian Schmitt de l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn. "Les parois du récipient étaient très réfléchissantes". Les chercheurs ont ensuite excité les molécules de colorant à l'aide d'un laser. Cela a produit des photons qui ont rebondi entre les surfaces réfléchissantes. Au fur et à mesure que les particules de lumière entraient en collision avec les molécules de colorant, elles se refroidissaient et finissaient par se condenser en un gaz quantique.
Les super photons scintillent comme une bougie
Ce processus se poursuit toutefois par la suite, et les particules du super photon entrent à plusieurs reprises en collision avec les molécules de colorant, étant avalées avant d'être recrachées. Le gaz quantique contient donc tantôt plus, tantôt moins de photons, ce qui le fait scintiller comme une bougie. "Nous avons utilisé ce scintillement pour vérifier si un théorème important de la physique est valable dans un système de gaz quantique", explique M. Schmitt.
Ce "théorème de régression" peut être illustré par une simple analogie : Supposons que le super photon soit un feu de camp qui s'embrase parfois très fort de manière aléatoire. Après un feu particulièrement vif, les flammes s'éteignent lentement et le feu revient à son état initial. Il est intéressant de noter que l'on peut également provoquer un incendie intentionnel en soufflant de l'air sur les braises. En termes simples, le théorème de régression prédit que le feu continuera alors à se consumer de la même manière que si l'embrasement s'était produit au hasard. Cela signifie qu'il réagit à la perturbation exactement de la même manière qu'il fluctue de lui-même sans aucune perturbation.
Souffler de l'air dans un feu de photons
"Nous voulions savoir si ce comportement s'appliquait également aux gaz quantiques", explique M. Schmitt, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire (TRA) "Building Blocks of Matter" et du pôle d'excellence "Matter and Light for Quantum Computing" de l'université de Bonn. Pour ce faire, les chercheurs ont d'abord mesuré le scintillement des superphotons afin de quantifier les fluctuations statistiques. Ils ont ensuite - au sens figuré - jeté de l'air sur le feu en tirant brièvement un autre laser sur le super photon. Cette perturbation a provoqué une brève flambée de ce dernier avant qu'il ne revienne lentement à son état initial.
"Nous avons pu observer que la réponse à cette légère perturbation suit exactement la même dynamique que les fluctuations aléatoires sans perturbation", explique le physicien. "Nous avons ainsi pu démontrer pour la première fois que ce théorème s'applique également à des formes exotiques de matière comme les gaz quantiques. Il est intéressant de noter que c'est également le cas pour les fortes perturbations. Les systèmes réagissent généralement différemment à des perturbations plus fortes qu'à des perturbations plus faibles - un exemple extrême est celui d'une couche de glace qui se brise soudainement lorsque la charge qui lui est imposée devient trop lourde. "C'est ce qu'on appelle un comportement non linéaire", explique M. Schmitt. "Toutefois, le théorème reste valable dans ces cas, comme nous avons pu le démontrer avec nos collègues de l'université d'Anvers.
Ces résultats sont extrêmement importants pour la recherche fondamentale sur les gaz quantiques photoniques, car on ne sait souvent pas précisément comment leur luminosité va fluctuer. Il est beaucoup plus facile de déterminer comment le super photon réagit à une perturbation contrôlée. "Cela nous permet de découvrir des propriétés inconnues dans des conditions très contrôlées", explique M. Schmitt. "Cela nous permettra, par exemple, de découvrir comment de nouveaux matériaux photoniques constitués de nombreux super photons se comportent en leur cœur."
Instituts participants et financement
L'Institut de physique appliquée de l'université de Bonn, l'université d'Anvers (Belgique) et l'université de Fribourg ont participé à l'étude. Le projet a été soutenu par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), l'Union européenne (ERC Starting Grant), le Centre aérospatial allemand (DLR) et l'agence de financement belge FWO Flanders.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités de l’industrie chimique
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée à l'industrie chimique, aux méthodes analytiques, aux laboratoires et à la technologie des processus vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
