Les chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) ont théoriquement démontré que les photons piégés à l'intérieur d'une cavité optique transportent des informations détaillées sur un matériau qui y est placé. En mesurant les propriétés des photons qui s'échappent de la cavité, les chercheurs peuvent sonder comment une cavité optique modifie les propriétés des matériaux intégrés.
Cette perspicacité ouvre de nouvelles possibilités pour que les techniques expérimentales explorent des systèmes de matière lumineuse enchevêtrés. Leur travail a été publié dans Lettres d'examen physique.
Selon la mécanique quantique de base, l'espace vide n'est pas vraiment vide – il est rempli de particules qui entrent et sortent constamment de l'existence, un phénomène connu sous le nom de fluctuations de vide. Ce processus est quelque peu analogue aux atomes à la surface de l'eau bouillante, qui sautent continuellement dans et hors du liquide.
Fait intéressant, de nombreuses propriétés des matériaux magnétiques et isolants sont sensibles à ces fluctuations. Bien que la valeur moyenne des fluctuations soit nulle, leur variance est finie et peut influencer de manière significative le comportement matériel.
En utilisant des miroirs de haute qualité, les scientifiques peuvent créer des pièges optiques – connus sous le nom de cavités optiques – qui contrôlent les fluctuations de vide et, à leur tour, modifier les propriétés magnétiques ou électriques d'un matériau placé à l'intérieur. Cette méthode offre une nouvelle façon puissante de contrôler les matériaux en équilibre thermique, présentant une alternative attrayante aux techniques traditionnelles qui reposent sur des conditions non équilibrées, telles que la conduite au laser.
La modification induite par une cavité optique peut être comprise comme un effet de confinement géométrique, alors que les photons rebondissent entre les miroirs et traversent le matériau encore et encore. Cela entraîne une augmentation efficace du couplage entre la lumière et la matière.
Cependant, mesurer ce qui se passe à l'intérieur de la cavité est un défi majeur dans ce type d'expérience. Étant donné que ces structures sont très petites, avec une taille latérale sur l'ordre de 1 micron, il est très difficile de placer un détecteur à l'intérieur. En conséquence, la vérification expérimentale des modifications induites par la cavité des matériaux est restée un problème de longue date.
Dans l'étude, les chercheurs du MPSD proposent un moyen de contourner ce problème en utilisant les photons piégés par la cavité pour en savoir plus sur les propriétés de la matière intégrée.
Comme ils le démontrent de temps en temps, un photon s'échappe naturellement de la cavité, emportant avec des informations précieuses sur le matériau. En mesurant les propriétés de ces photons émis, les chercheurs montrent qu'il est possible de sonder le matériau intégré et d'étudier les modifications induites par la cavité.
« En raison des interactions entre les photons et la matière, certaines propriétés du système matériel sont imprimées sur les photons, » Explique Lukas Grunwald, auteur principal et doctorant au MPSD.
En tant que preuve de concept, l'équipe a considéré l'état d'un modèle d'hydrogène en fonction du champ magnétique. À mesure que le champ magnétique augmente, ce système passe à partir d'un état non magnétique et enchevêtré, un soi-disant « Spin Sinlet State, » à un état magnétique appelé « triplet de rotation » avec aimantation finie.
« Étonnamment, nous pouvons lire cette transition simplement en regardant le nombre de photons piégés dans la cavité, » dit Grunwald.
Les chercheurs ont également étudié un exemple plus complexe impliquant un petit groupe d'ions magnétiques interagissant avec une cavité. Dans ce cas également, ils ont constaté que les propriétés du matériau sont codées dans les photons.
« Les états magnétiques possibles du matériau sont directement visibles dans la réponse en fréquence des photons émis, » dit Emil Viñas Boström, co-auteur et chercheur postdoctoral principal au MPSD. « Ce qui est passionnant, c'est que ces prédictions devraient être possibles pour vérifier à l'aide de mesures d'interférométrie optique existantes. »
Plus généralement, l'équipe espère que ces informations révolutionnaires pourront être utilisées pour comprendre l'interaction entre les matériaux et les photons de cavité, et comment les fluctuations de la cavité influencent l'état des matériaux.
« Nous ne sommes qu'au début de la compréhension des principes de travail de ces systèmes hybrides, » dit Angel Rubio, directeur du département théorique du MPSD.
« Notre objectif est d'utiliser des états de lumière non classiques, pour découvrir les propriétés des matériaux qui restent cachées aux techniques spectroscopiques conventionnelles, » Rubio continue, « et finalement pour mieux comprendre comment les fluctuations de la cavité peuvent être utilisées pour manipuler la matière. »
