Vue d'artiste d'un condensat photonique de Bose-Einstein (jaune) dans un bain de molécules colorantes (rouge) perturbé par une source de lumière externe (flash blanc). Crédit : A. Erglis/Université Albert-Ludwigs de Fribourg
Des chercheurs de l'Université de Bonn ont démontré que les super photons, ou photon Les condensats de Bose-Einstein sont conformes aux théorèmes de la physique fondamentale, permettant de mieux comprendre des propriétés souvent difficiles à observer.
Dans des conditions appropriées, des milliers de particules de lumière peuvent fusionner en une sorte de « super photon ». Les physiciens appellent un tel état un condensat de photons Bose-Einstein. Des chercheurs de l’Université de Bonn ont montré que cet état quantique exotique obéit à un théorème fondamental de la physique. Cette découverte permet désormais de mesurer les propriétés des condensats de photons Bose-Einstein qui sont habituellement difficiles d'accès. L'étude a été publiée le 3 juin dans la revue Communications naturelles.
Si de nombreux atomes sont refroidis à une température très basse, confinés dans un petit volume, ils peuvent devenir impossibles à distinguer et se comporter comme une seule « super particule ». Les physiciens appellent également 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 colorantes. Ces molécules agissent comme de petits réfrigérateurs et avalent les particules lumineuses « chaudes » avant de les recracher à la bonne température.
Expérimentation de super photons dans les gaz quantiques
« Dans nos expériences, nous avons rempli un petit récipient avec une solution colorante », explique le Dr Julian Schmitt de l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn. « Les parois du conteneur étaient très réfléchissantes. » Les chercheurs ont ensuite excité les molécules de colorant avec un laser. Cela produisait des photons qui rebondissaient entre les surfaces réfléchissantes. Alors que les particules de lumière entraient en collision à plusieurs reprises avec des molécules de colorant, elles se refroidissaient et se condensaient finalement en un gaz quantique.
Cependant, ce processus se poursuit par la suite et les particules du super photon entrent en collision à plusieurs reprises avec les molécules de colorant, étant avalées avant d'être recrachées. Par conséquent, le gaz quantique contient parfois plus et parfois moins de photons, ce qui le fait vaciller comme une bougie. « Nous avons utilisé ce scintillement pour déterminer si un théorème de physique important est valide dans un système de gaz quantique », explique Schmitt.
Comprendre le théorème de régression dans les gaz quantiques
Ce soi-disant « théorème de régression » peut être illustré par une simple analogie : supposons que le super photon soit un feu de camp qui s’allume parfois très fort de manière aléatoire. Après que le feu soit particulièrement intense, les flammes s'éteignent lentement et le feu revient à son état d'origine. Il est intéressant de noter qu’on peut également provoquer intentionnellement un incendie en soufflant de l’air dans les braises. En termes simples, le théorème de régression prédit que l’incendie continuera alors à se consumer de la même manière que si la flambée s’était produite au hasard. Cela signifie qu’il réagit à la perturbation exactement de la même manière qu’il fluctue tout seul, 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 Schmitt, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire (TRA) « Building Blocks of Matter » et du cluster « Matter and Light for Quantum Computing ». Excellence à l'Université de Bonn. Pour cela, les chercheurs ont d’abord mesuré le scintillement des super photons afin de quantifier les fluctuations statistiques. Ils ont ensuite – au sens figuré – soufflé de l’air dans le feu en tirant brièvement un autre laser sur le super photon. Cette perturbation l'a fait s'embraser brièvement avant de revenir lentement à son état initial.
Démonstration du comportement non linéaire dans les systèmes quantiques
«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 telles que les gaz quantiques. » Il est intéressant de noter que c’est également le cas pour les fortes perturbations. Les systèmes réagissent généralement différemment aux perturbations plus fortes qu’aux perturbations plus faibles – un exemple extrême est une couche de glace qui se brise soudainement lorsque la charge qui lui est appliquée devient trop lourde. « C'est ce qu'on appelle un comportement non linéaire », explique Schmitt. « Cependant, le théorème reste valable dans ces cas, comme nous avons pu le démontrer avec nos collègues de l'Université d'Anvers. »
Implications pour la recherche sur les gaz quantiques photoniques
Les résultats sont d’une grande importance pour la recherche fondamentale sur les gaz quantiques photoniques, car on ne sait souvent pas précisément comment leur luminosité scintillera. 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 Schmitt. «Cela nous permettra, par exemple, de découvrir comment de nouveaux matériaux photoniques composés de nombreux super photons se comportent en leur sein.»
L'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn, de l'Université d'Anvers (Belgique) et de 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.
