Dispositif de recherche pour la génération de paires de photons à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière. Crédit : Tanya Chekhova
Une étude révolutionnaire a démontré l'utilisation de cristaux liquides pour une conversion paramétrique spontanée efficace et réglable (SPDC), élargissant le potentiel des sources de lumière quantique au-delà des matériaux solides traditionnels.
La conversion paramétrique spontanée (SPDC), une méthode clé pour générer des photons intriqués utilisée en physique et technologie quantiques, a traditionnellement été limitée aux matériaux solides. Cependant, des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) et de l'Institut Jozef Stefan de Ljubljana, en Slovénie, ont récemment réalisé une percée en démontrant pour la première fois la SPDC dans un cristal liquide. Leurs résultats, publiés dans Natureouvrent la voie au développement d’une nouvelle génération de sources quantiques à la fois efficaces et accordables par champs électriques.
La division d'un seul photon Le couplage en deux est l'un des outils les plus utiles de la photonique quantique. Il permet de créer des paires de photons intriqués, des photons uniques, de la lumière comprimée et même des états de lumière encore plus complexes, essentiels aux technologies quantiques optiques. Ce processus est connu sous le nom de conversion paramétrique spontanée (SPDC).
Professeure Maria Chekhova, responsable du groupe de recherche « Rayonnement quantique » dans son laboratoire à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière. Crédit : Tanya Chekhova
La SPDC est étroitement liée à la symétrie centrale. Il s’agit de la symétrie par rapport à un point – par exemple, un carré est symétrique au centre, mais pas un triangle. Dans son essence même – une division d’un photon en deux – la SPDC brise la symétrie centrale. Par conséquent, elle n’est possible que dans les cristaux dont la cellule élémentaire est asymétrique au centre. La SPDC ne peut pas se produire dans les liquides ou les gaz ordinaires, car ces matériaux sont isotropes.
Percée dans le domaine des cristaux liquides
Récemment, des chercheurs ont découvert des cristaux liquides dotés d'une structure différente, les cristaux liquides nématiques ferroélectriques. Bien qu'ils soient fluidiques, ces matériaux présentent une forte brisure de symétrie centrale. Leurs molécules sont allongées, asymétriques et, surtout, elles peuvent être réorientées par un champ électrique externe. La réorientation des molécules modifie la polarisation des paires de photons générées, ainsi que le taux de génération. Avec un conditionnement approprié, un échantillon de ce matériau peut être un dispositif très utile car il produit efficacement des paires de photons, peut être facilement réglé avec un champ électrique et peut être intégré dans des dispositifs plus complexes.
En utilisant des échantillons préparés à l'Institut Jozef Stefan (Ljubljana, Slovénie) à partir d'un cristal liquide nématique ferroélectrique synthétisé par Merck Electronics KGaA, des chercheurs de l'Institut Max-Planck pour la science de la lumière ont mis en œuvre pour la première fois la SPDC dans un cristal liquide. L'efficacité de la génération de photons intriqués est aussi élevée que dans les meilleurs cristaux non linéaires, comme le niobate de lithium, d'épaisseur similaire. En appliquant un champ électrique de quelques volts seulement, ils ont pu activer et désactiver la génération de paires de photons, ainsi que modifier les propriétés de polarisation de ces paires. Cette découverte marque le début d'une nouvelle génération de sources de lumière quantique : flexibles, réglables et efficaces.
