Quand la lumière n’est ni “allumée” ni “éteinte” dans le nanomonde
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Que la lumière de nos espaces de vie soit allumée ou éteinte peut être réglée dans la vie de tous les jours simplement en atteignant l’interrupteur d’éclairage. Cependant, lorsque l’espace pour la lumière est réduit à quelques nanomètres, les effets de la mécanique quantique dominent et il n’est pas clair s’il contient ou non de la lumière. Les deux peuvent même être le cas en même temps, comme le montrent des scientifiques de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) et de l’Université de Bielefeld dans la revue « Physique naturelle ».
“La détection de ces états exotiques de la physique quantique à l’échelle de la taille des transistors électriques pourrait aider au développement des technologies quantiques optiques des futures puces informatiques”, explique le professeur de Würzburg Bert Hecht. Les nanostructures étudiées ont été réalisées dans son groupe.
La technologie de notre monde numérique est basée sur le principe selon lequel un courant circule ou non : un ou zéro, allumé ou éteint. Deux états clairs existent. En physique quantique, en revanche, il est possible de faire abstraction de ce principe et de créer une superposition arbitraire des supposés opposés. Cela augmente considérablement les possibilités de transmission et de traitement des informations. De tels états de superposition sont connus depuis un certain temps, notamment pour les particules de lumière, dites photons, et sont utilisés dans la détection des ondes gravitationnelles.
États quantiques détectés
Une équipe de physiciens et de physico-chimistes de Bielefeld et de Würzburg a maintenant réussi à détecter de tels états de superposition de la lumière directement dans une nanostructure. La lumière est captée dans une nanostructure dans un très petit espace et couplée à des oscillations électroniques : les plasmons. Cela permet à l’énergie de la lumière d’être maintenue en place à l’échelle nanométrique.
Dans l’expérience du groupe du professeur de Würzburg Tobias Brixner, les chercheurs ont étudié combien de photons d’une impulsion lumineuse se couplent à la nanostructure. Résultat : simultanément aucun photon et trois photons ! Brixner explique : « Détecter cette signature était un énorme défi. Les photons peuvent être très bien détectés avec des détecteurs sensibles ; cependant, dans le cas des photons uniques, qui sont également dans un état de superposition mécanique quantique, les méthodes appropriées n’existaient pas dans le nanomonde. ” De plus, les états couplés des photons et des électrons survivent moins d’un millionième de millionième de seconde, puis se désintègrent à nouveau, ne laissant guère de temps à leur détection.
Meilleure résolution spatiale et temporelle combinée
Dans les expériences maintenant publiées, une détection spéciale a été utilisée. “L’énergie libérée lors de la désintégration de l’état est suffisante pour libérer d’autres électrons de la nanostructure”, explique le professeur Walter Pfeiffer (Bielefeld), qui a joué un rôle clé dans le développement du modèle physique et l’interprétation des données. Les électrons déclenchés pourraient alors être capturés dans une image à l’aide d’un microscope électronique à photoémission et d’une résolution de quelques nanomètres. En raison des temps de décroissance rapides, des séquences d’impulsions laser ultracourtes ont été utilisées pour obtenir “l’empreinte digitale” des états de superposition de la lumière.
Il s’agit d’une première étape vers l’objectif d’analyser l’état physique quantique complet des photons et électrons couplés directement à l’échelle nanométrique. Un processus qui, comme en médecine, est décrit par le terme de tomographie. La lumière dans les bureaux et les laboratoires des scientifiques impliqués doit donc rester clairement allumée.
