En ce qui concerne les particules de lumière, le collectif est plus important que l'individuel. Lorsqu’ils auront à choisir entre deux états, ils privilégieront celui que nombre de leurs congénères ont déjà adopté. Cependant, cette tendance collectiviste ne se manifeste que lorsque suffisamment de photons se sont rassemblés au même endroit.
Ces résultats, publiés dans Lettres d'examen physiquepourrait notamment contribuer au développement de sources laser ultra-puissantes.
La physique connaît deux types de particules fondamentalement différents, le fermion et le boson. Les fermions sont des individualistes convaincus : si vous les confinez dans un espace restreint, ils ne peuvent pas assumer le même état. Les électrons entourant un noyau en sont un exemple. Si deux d'entre eux veulent être dans le même « nuage » (ou orbitale), ils doivent avoir une rotation différente (essentiellement, tourner dans une direction différente).
Les bosons, en revanche, aiment faire des choses ensemble et préfèrent partager le même état. Les photons font partie de ce groupe. Si vous les refroidissez suffisamment et les enfermez ensemble dans un espace minuscule, ils fusionnent en une sorte de gigantesque « super-photon ». Mais que se passerait-il si vous forciez d’abord les particules de lumière à prendre l’une des deux couleurs légèrement différentes ? Cela ferait-il deux super-photons de couleurs différentes ? Ou choisiraient-ils tous la même couleur pour satisfaire leur envie de se conformer ?
Privilégier la compagnie à la solitude
C'est la question qu'a étudié le groupe de travail dirigé par le professeur Martin Weitz de l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn.
« Nous avons commencé par utiliser une certaine méthode pour créer des photons refroidis », explique Weitz, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire sur la matière (TRA) de l'université et de son cluster d'excellence ML4Q – Matière et lumière pour l'informatique quantique.
« Nous avons ensuite enfermé ces particules de lumière dans un espace dans lequel elles devaient adopter l'un des deux niveaux d'énergie légèrement différents, en d'autres termes des couleurs légèrement différentes. » Considérez-le comme un restaurant avec deux longues tables où les convives peuvent s'asseoir pour manger.
Les chercheurs ont ensuite examiné quelle « table » les photons avaient choisie et ont constaté que les premiers d’entre eux étaient répartis de manière assez aléatoire entre les deux. « Bien que le niveau d'énergie inférieur soit légèrement plus populaire, la différence était si fine qu'elle était pratiquement insignifiante », explique Weitz.
« Cependant, cela n'est resté le cas que lorsque le nombre de photons était faible. »
Dès que le rassemblement se comptait par dizaines, les nouveaux arrivants commençaient à faire leur tri, étant toujours plus enclins à choisir la table la plus nombreuse. Cette tendance s'est poursuivie dans la mesure où la table la plus vide n'était presque plus sélectionnée une fois qu'elle avait rassemblé quelques centaines de photons.
Une méthode pourrait aider à concevoir des lasers plus puissants
Ce comportement collectiviste a déjà été démontré pour des gaz contenant différents types de bosons. Cependant, dans les gaz, les particules disposent toujours d’une très grande variété de possibilités, au lieu de seulement deux comme dans ce cas.
Ce principe pourrait potentiellement être exploité pour concevoir des sources laser extrêmement puissantes, car l’énergie de la lumière laser peut théoriquement être augmentée en combinant plusieurs sources de rayonnement.
« Cependant, cela nécessite qu'ils soient tous » en phase « , ce qui signifie que leurs ondes doivent toujours être exactement synchronisées », souligne Weitz. « Sinon, les pics de l'onde du premier faisceau laser pourraient rencontrer les creux du deuxième faisceau, et ils s'annuleraient. »
Bien qu’aligner avec autant de précision les ondes lumineuses de deux lasers ne soit pas une tâche facile, il pourrait être possible d’exploiter le penchant des photons pour le collectivisme pour rapprocher les faisceaux.
« Nos résultats suggèrent que cela pourrait fonctionner », explique le chercheur. « Mais il reste encore un long chemin à parcourir avant que la technologie soit opérationnelle. »
