La lumière est rapide, mais se déplace dans de grandes longueurs d’onde et interagit faiblement avec elle-même. Les particules qui composent la matière sont minuscules et interagissent fortement les unes avec les autres, mais se déplacent lentement. Ensemble, les deux peuvent se combiner en une quasi-particule hybride appelée polariton qui est en partie lumière, en partie matière.
Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Chimieune équipe de chimistes de Columbia a identifié comment combiner la matière et la lumière pour obtenir le meilleur des deux mondes : des polaritons avec de fortes interactions et un flux rapide et ondulatoire. Ces comportements distinctifs peuvent être utilisés pour alimenter des ordinateurs optiques et d’autres dispositifs quantiques basés sur la lumière.
« Nous avons écrit un manuel pour le polariton » parfait « qui guidera nos recherches, et nous l'espérons, celles de l'ensemble du domaine travaillant sur les fortes interactions lumière-matière », a déclaré Milan Delor, professeur agrégé de chimie à Columbia.
Le laboratoire de Delor s'intéresse particulièrement à ce que l'on appelle les excitons-polaritons, qui se forment lorsque les photons, les particules qui composent la lumière, se combinent avec l'énergie des électrons excités dans un matériau. Ils sont particulièrement prometteurs pour créer des ordinateurs optiques à grande vitesse basés sur la lumière.
Pour fonctionner, les ordinateurs s'appuient sur un système de minuscules portes qui s'ouvrent et se ferment pour réguler la manière dont les informations sont transmises. Dans les ordinateurs électroniques d'aujourd'hui, ces portes sont les transistors, qui s'ouvrent et se ferment lorsque les électrons interagissent les uns avec les autres. La lumière pourrait offrir un moyen plus rapide et plus efficace de transmettre des informations, si les photons interagissaient. Mais ce n’est pas le cas : tout faisceau de lumière en traverse simplement un autre, ce qui rend difficile la création de portes informatiques utilisant uniquement la lumière.
Les polaritons offrent une voie à suivre pour alimenter des ordinateurs entièrement basés sur la lumière. Les polaritons se forment lorsque la lumière interagit fortement avec un matériau au niveau quantique. Les photons aident les excitations, comme l'énergie des électrons excités qui intéressent le groupe de Delor, à devenir cohérentes (synchronisées) sur de grandes échelles spatiales, un peu comme la façon dont des groupes de lucioles clignoteront à l'unisson. Dérangez l’un d’entre eux et l’effet se répercutera sur l’ensemble plus vaste. Avec les polaritons, cette propagation ondulatoire est une manifestation de cohérence à longue portée et un moyen potentiel de transmettre des informations à la vitesse de la lumière (ou assez proche) et à des échelles nanoscopiques.
En 2023, Delor et son équipe ont développé une technique d’imagerie ultrarapide capable de capturer les excitons-polaritons en mouvement. Ils voyaient des vagues, signe de cohérence, mais jusqu'à un certain point seulement. À mesure que les particules hybrides devenaient plus « semblables à de la matière », elles augmentaient leurs interactions mais perdaient leur cohérence en raison d'une sensibilité accrue au bruit, comme le désordre dans le matériau.
« Vous pouvez voir le problème : lorsque vous combinez la lumière et la matière, vous n'héritez pas seulement des meilleurs éléments, vous héritez également du pire », a déclaré Delor. « Notre jeu consistait à trouver des systèmes qui optimisent la cohérence de la lumière avec les fortes interactions de la matière, tout en minimisant les faiblesses. »
Delor, avec le chercheur postdoctoral Yongseok Hong et Ph.D. étudiant Ding Xu, a commencé à concevoir et à tester des matériaux à la recherche des meilleures propriétés de production de polariton. Leurs échantillons allaient de films contenant des molécules disposées de manière aléatoire à des cristaux moléculaires plus organisés en passant par des réseaux fixes de différents matériaux 2D.
Ils ont identifié trois règles directrices : le matériau choisi doit avoir une grande absorption optique (une mesure de la force avec laquelle la lumière peut interagir avec la matière), un faible désordre (un reflet du nombre de défauts ou d'impuretés dans le matériau) et un peu de délocalisation inhérente des excitons (la taille du rayon de l'exciton avant d'interagir avec la lumière).
Cette dernière, en particulier, était une propriété négligée qui s’est avérée être l’ingrédient clé manquant, car une certaine délocalisation des excitons protège finalement les polaritons du bruit. Ensemble, ces propriétés aident à préserver la cohérence des polaritons, même en présence de fortes interactions polaritoniques et d'un désordre inévitable.
« C'est exactement ce dont les polaritons ont besoin pour réaliser leur capacité tant vantée à » combiner le meilleur de la lumière et de la matière « », a déclaré Delor, tout en notant qu'il s'agit d'un équilibre rare à trouver. Les candidats prometteurs répondant aux trois critères comprennent les pérovskites aux halogénures 2D, des minéraux de plus en plus utilisés dans les panneaux solaires et les LED, ainsi qu'une classe de semi-conducteurs 2D connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD.
Plus tôt cette année, Delor et ses collègues ont utilisé un TMD pour montrer comment les polaritons peuvent améliorer les interactions optiques non linéaires dans les guides d'ondes. Ce sont des structures qui confinent et dirigent la lumière dans un matériau et sont hautement compatibles avec les puces à base de silicium, telles que celles utilisées dans les ordinateurs optiques émergents.
Forts de ce qu'ils ont appris sur la production de polaritons dans le cadre de leurs travaux actuels, ils prévoient désormais d'optimiser les interactions non linéaires améliorées par les polaritons dans les guides d'ondes dans le but d'utiliser la lumière pour modifier les propriétés des photons uniques. Cela créerait une version quantique d’une porte informatique à partir de la lumière – une étape clé vers la réalisation d’architectures informatiques quantiques basées sur la lumière.
« Améliorer les interactions optiques pour qu'elles soient suffisantes pour les non-linéarités à photons uniques constitue un défi de taille, mais qui pourrait immédiatement débloquer d'innombrables applications dans les domaines de l'information et de la détection quantiques », a déclaré Delor. « Nous pensons que ces polaritons optimisés constituent une approche très prometteuse et évolutive pour atteindre ce grand objectif scientifique. »
