Une équipe de physiciens de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie, du Centre des nouvelles technologies de l'Université de Varsovie et de l'Université Emory (Atlanta, États-Unis) a analysé comment les interactions mutuelles des atomes modifient la façon dont ils interagissent collectivement avec la lumière.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueles chercheurs étendent les modèles établis de ce phénomène. En montrant que les interactions directes atome-atome peuvent renforcer un éclat collectif de lumière appelé superradiance, l’équipe ouvre de nouvelles opportunités pour les technologies quantiques.
Les systèmes lumière-matière placent de nombreux émetteurs (par exemple des atomes) dans le même mode optique d'une cavité. Ce mode est un motif de lumière confiné entre des miroirs rapprochés et permet des effets collectifs absents pour les atomes isolés.
Un exemple central est la superradiance : un effet collectif quantique dans lequel de nombreux atomes rayonnent en phase, produisant une lumière beaucoup plus forte que la somme des émetteurs individuels.
En général, les études de ce phénomène supposent que le couplage lumière-matière domine. L'ensemble est ensuite modélisé comme un seul « dipôle géant » uniformément couplé au champ de la cavité, qui assure la médiation des interactions à portée infinie.
« Les photons agissent comme des médiateurs qui couplent chaque émetteur à tous les autres à l'intérieur de la cavité », explique le Dr João Pedro Mendonça, premier auteur de l'article, qui a terminé son doctorat. à la Faculté de physique de l'Université de Varsovie et travaille actuellement comme chercheur au Centre des nouvelles technologies de l'Université de Varsovie.
Cependant, dans les matériaux réels, les émetteurs voisins s’influencent également par le biais d’interactions dipôle-dipôle à courte portée, qui sont souvent négligées. Ce travail demande ce qui change lorsque les interactions intrinsèques atome-atome sont restaurées.
L’étude montre que ces interactions peuvent soit rivaliser, soit renforcer les interactions médiées par les photons qui conduisent à la superradiance. Comprendre cet équilibre est essentiel pour interpréter les expériences dans des régimes où la lumière et la matière s'influencent mutuellement de manière significative.
L’intrication est au cœur de la réponse conjointe lumière-matière. Pourtant, de nombreuses approches numériques et analytiques traitent la lumière et la matière comme indépendantes, ce qui élimine effectivement ce lien.
« Les modèles semi-classiques simplifient considérablement le problème quantique, mais au prix de la perte d'informations cruciales ; ils ignorent effectivement l'intrication possible entre les photons et les atomes, et nous avons constaté que dans certains cas, ce n'est pas une bonne approximation », expliquent les auteurs.
L'étude introduit une approche informatique qui maintient l'intrication explicite, capturant les corrélations à la fois au sein et entre les sous-systèmes.
En utilisant cette méthode, les auteurs montrent que les interactions intrinsèques entre émetteurs proches peuvent abaisser le seuil de superradiance et révéler un état ordonné auparavant négligé avec des propriétés superradiantes. Pris ensemble, les résultats montrent que la prise en compte de l’intrication est essentielle pour cartographier l’ensemble des états dans les systèmes lumière-matière.
Au-delà de leur intérêt fondamental, les plateformes lumière-matière en cavité sont à la base des technologies quantiques émergentes. Un exemple frappant est celui des batteries quantiques : des dispositifs qui, en principe, peuvent se charger et se décharger plus rapidement et plus efficacement en exploitant les corrélations quantiques collectives.
La dynamique superradiante peut accélérer à la fois la charge et la décharge, améliorant ainsi l’efficacité du transfert d’énergie. Cette étude clarifie comment les interactions microscopiques entre émetteurs proches façonnent cette dynamique : en modifiant les conditions requises pour la superradiance et en pilotant le système entre les états, ces interactions intrinsèques deviennent des paramètres d'ingénierie réglables pour concevoir des conditions de charge optimales dans des matériaux et des cavités réels.
« Une fois que vous conservez l'intrication lumière-matière dans le modèle, vous pouvez prédire quand un appareil se chargera rapidement et quand il ne se chargera pas. Cela transforme l'effet à N corps en une règle de conception pratique », a déclaré João Pedro Mendonça. Un contrôle similaire sur les corrélations lumière-matière est également pertinent pour d’autres plates-formes, notamment les réseaux quantiques et les capteurs de précision.
Le projet est né d’une collaboration internationale combinant l’expertise de plusieurs institutions. João Pedro Mendonça a effectué plusieurs voyages de recherche aux États-Unis. Une collaboration étroite a joué un rôle clé dans l’élaboration des résultats. « C'est un excellent exemple de la manière dont la mobilité et la collaboration internationales peuvent ouvrir la porte à des avancées majeures », note l'équipe.
