Les interactions entre les atomes et les molécules sont facilitées par des champs électromagnétiques. Plus la distance entre les partenaires impliquée est grande, plus ces interactions mutuelles sont faibles. Pour que les particules puissent former des liaisons chimiques naturelles, la distance entre elles doit généralement être approximativement égale à leur diamètre.
En utilisant un résonateur optique qui modifie fortement le vide quantique, les scientifiques du Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) ont réussi pour la première fois en «liaison» optiquement de plusieurs molécules à de plus grandes distances. Les physiciens créent ainsi expérimentalement des états synthétiques de molécules couplées, établissant ainsi les bases du développement de nouveaux états de matière lumineuse hybrides. L'étude est publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
Les atomes et les molécules ont clairement défini des niveaux d'énergie discrets. Lorsqu'ils sont combinés pour former une nouvelle molécule, les états d'énergie changent. Ce processus est appelé hybridation moléculaire et se caractérise par le chevauchement des orbitales électroniques, c'est-à-dire les zones où résident généralement les électrons. Cependant, à une échelle de quelques nanomètres, l'interaction devient si faible que les molécules ne sont plus en mesure de communiquer entre elles.
Une équipe dirigée par le professeur Vahid Sandoghdar, directrice de MPL et chef de la division « Nano-Optics », a réussi pour la première fois à coupler les molécules séparées spatialement via un champ de vide modifié dans un microgesonateur optique.
À l'intérieur d'un micrororsonateur de haute qualité-conflit de haute qualité, c'est-à-dire entre deux miroirs de qualité exceptionnelle, la lumière peut être stockée pendant une longue période. Les scientifiques ont inséré un microcristal anthracène dopé avec des molécules de colorant spécifiques dans le résonateur, qui ne fait que quelques micromètres. En utilisant la spectroscopie laser haute résolution, l'équipe a ensuite étudié l'interaction des molécules et leur hybridation avec le mode résonateur.
L'émergence de nouvelles caractéristiques dans le spectre résultant indique des modifications des états d'énergie moléculaire, tels que les modes dits subradiants et superradiants. Les états subradiants émettent moins fortement qu'auparavant, tandis que les états superradiants interagissent plus fortement avec la lumière.
Une conséquence notable de l'hybridation de deux molécules est qu'ils peuvent ensuite être élevés à l'état excité simultanément. Cela signifie qu'ils ne sont plus complètement indépendants les uns des autres. Pour y parvenir, deux photons sont absorbés par le résonateur. Dans ce travail, il y a pour la première fois une excitation à deux photons de deux molécules qui sont éloignées. Bien que seul, chaque photon ne montre aucun effet, mais ensemble, ils activent les deux molécules simultanément. Ni les molécules ni les photons ne peuvent agir seuls, mais en harmonie, ils réussissent.
Sandoghdar dit: « Les états quantiques sont généralement très fragiles, il est donc un défi d'associer plusieurs molécules. Notre travail établit le fondement du développement de nouveaux états dans lesquels les particules matérielles, telles que les molécules, sont` `collées '' avec la lumière. L'étude des informations sur le quanttum et donc un grand intérêt interagissant est également un bloc de construction important pour le traitement des informations quantum et donc de la grande intérêt pour la technologie quantique. »
