C'est un aperçu de la science-fiction: des scientifiques ont créé une nouvelle forme de lumière qui pourrait un jour être utilisée pour fabriquer des cristaux légers. Mais avant que les futurs Jedis ne commencent à réclamer leurs sabres, cette avancée est beaucoup plus susceptible de déboucher sur de nouvelles méthodes de communication et d’informatique fascinantes, rapportent les chercheurs cette semaine dans Science .
La lumière est constituée de photons, de petits paquets d'énergie rapides et rapides. En règle générale, les photons n'interagissent pas du tout. C'est pourquoi, lors de l'utilisation de lampes de poche, "on ne voit pas les faisceaux lumineux rebondir les uns sur les autres, on les voit se traverser les uns les autres", explique Sergio Cantu, Ph.D. candidat en physique atomique au Massachusetts Institute of Technology. Dans de nouvelles expériences, cependant, les physiciens ont persuadé des photons individuels de se rapprocher et de se lier les uns aux autres, de la même manière que les atomes individuels se collent les uns aux autres dans des molécules.
La danse des photons a lieu dans un laboratoire du MIT où les physiciens réalisent des expériences sur table avec des lasers. Cantu, son collègue Aditya Venkatramani, titulaire d'un doctorat candidat en physique atomique à l’Université de Harvard, et leurs collaborateurs commencent par créer un nuage d’atomes de rubidium refroidis. Le rubidium est un métal alcalin, il ressemble donc généralement à un solide blanc argenté. Mais vaporiser le rubidium avec un laser et le maintenir ultracourbe crée un nuage que les chercheurs contiennent dans un petit tube et le magnétisent. Cela permet aux atomes de rubidium de diffuser, de se déplacer lentement et dans un état très excité.
Ensuite, l’équipe tire un faible rayon laser sur le nuage. Le laser est si faible qu’une poignée de photons pénètre dans le nuage, explique un communiqué de presse du MIT. Les physiciens mesurent les photons lorsqu'ils sortent de l'autre côté du nuage et c'est à ce moment que les choses deviennent bizarres.
Normalement, les photons se déplacent à la vitesse de la lumière, soit près de 300 000 kilomètres par seconde. Mais en traversant le nuage, les photons se déplacent le long de 100 000 fois plus lentement que la normale. De plus, au lieu de quitter le nuage de manière aléatoire, les photons apparaissent par paires ou par triplets. Ces paires et triplets dégagent également une signature énergétique différente, un déphasage, qui indique aux chercheurs que les photons interagissent.
"Au début, ce n'était pas clair", dit Venkatramani. L'équipe avait déjà vu deux photons interagir auparavant, mais ils ne savaient pas si les triplets étaient possibles. Après tout, explique-t-il, une molécule d'hydrogène est un arrangement stable de deux atomes d'hydrogène, mais trois atomes d'hydrogène ne peuvent rester ensemble plus d'un millionième de seconde. "Nous n'étions pas sûrs que trois photons seraient une molécule stable ou quelque chose que nous pourrions même voir", dit-il.
De manière surprenante, les chercheurs ont découvert que le groupement à trois photons est encore plus stable que deux. "Plus vous en ajoutez, plus ils sont liés, " dit Venkatramani.
Mais comment se réunissent les photons? Le modèle théorique des physiciens suggère que lorsqu'un photon se déplace dans le nuage de rubidium, il saute d'un atome à l'autre, "comme une abeille qui se balance entre des fleurs", explique le communiqué de presse. Un photon peut se lier brièvement à un atome, formant un atome de photon hybride ou un polariton. Si deux de ces polaritons se rencontrent dans le nuage, ils interagissent. Quand ils atteignent le bord du nuage, les atomes restent derrière et les photons naviguent vers l'avant, toujours liés ensemble. Ajouter plus de photons et même phénomène donne lieu à des triplets.
"Maintenant que nous comprenons ce qui rend les interactions attractives, vous pouvez demander: pouvez-vous les faire se repousser les unes les autres?" dit Cantu. Fondamentalement, jouer avec l'interaction pourrait révéler de nouvelles idées sur le fonctionnement de l'énergie ou sur sa provenance, dit-il.
Aux fins des avancées technologiques, les photons liés de cette manière peuvent véhiculer des informations, une qualité utile pour l'informatique quantique. Et l'informatique quantique pourrait conduire à des codes infranchissables, des horloges ultra précises, des ordinateurs incroyablement puissants et bien plus encore. Ce qui est si attrayant pour coder des informations dans des photons, c’est que ceux-ci peuvent transporter leurs informations très rapidement. Les photons accélèrent déjà nos communications le long des lignes à fibres optiques. Les photons liés ou enchevêtrés pourraient transmettre une information quantique complexe presque instantanément.
L’équipe envisage de contrôler les interactions attractives et répulsives des photons avec une précision telle qu’ils pourraient les disposer dans des structures prévisibles qui tiennent ensemble comme des cristaux. Certains photons se repoussent, se séparant jusqu'à trouver leur propre espace, tandis que d'autres retiennent la formation la plus large et empêchent les repoussants de se disperser. Leur arrangement à motifs serait un cristal léger. Dans un cristal de lumière, "si vous savez où se trouve un photon, vous savez où se trouvent les autres derrière, à intervalles égaux", a déclaré Venkatramani. "Cela pourrait être très utile si vous voulez avoir une communication quantique à intervalles réguliers."
L'avenir que de tels cristaux pourraient permettre peut sembler plus nébuleux que celui où les gens se battent au sabre laser, mais il pourrait encore contenir des avancées encore plus impressionnantes et insoupçonnées.
Note de l'éditeur: Cette histoire a été corrigée pour refléter le fait que les photons, et non les atomes, entrent dans le nuage de rubidium et que leur vitesse ralentit pendant leur traversée.
