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Le MIT et Harvard créent un nouvel état de la matière semblable à un sabre laser : les molécules photoniques

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Le génial Center for Ultracold Atoms, une entreprise conjointe de Harvard et du MIT, a créé un nouvel état de la matière : les molécules photoniques. Ce nouvel état de la matière est surprenant et intéressant, car les photons sont considérés comme sans masse et incapables d’interagir entre eux. Selon le chef du groupe de recherche, qui porte le nom de famille Lukin, une coïncidence incroyable, ces molécules photoniques se comportent un peu comme des sabres laser de l’univers Star Wars, les photons se poussant et se déviant, mais restant liés.

La quasi-totalité de notre compréhension de la lumière repose sur la connaissance que les photons, la particule élémentaire qui constitue le quantum de lumière et tous les autres rayonnements électromagnétiques, sont sans masse et sans charge électrique. Si vous dirigez deux lasers l’un vers l’autre, parce que les flux de photons n’ont ni masse ni charge, les flux de photons se traversent simplement sans réagir. C’est pour cette raison que la lumière (et le REM en général) est un excellent moyen de transmettre des données sur de longues distances et de percevoir des stimuli visuels avec vos yeux. Si vous utilisiez presque n’importe quel autre type de particule pour transmettre des données, elle réagirait violemment et pétillerait dans l’atmosphère presque instantanément.

Maintenant, cependant, les chercheurs de Harvard et du MIT, dirigés par Lukin, ont réussi à faire en sorte que les photons se comportent presque comme s’ils étaient des particules massives normales. Pour ce faire, les chercheurs pompent des atomes de rubidium dans une chambre à vide, puis refroidissent le vide jusqu’à ce qu’il soit à quelques degrés du zéro absolu. Une lumière laser extrêmement faible – un flux de photons uniques – est ensuite projetée à travers le vide rempli de rubidium. Au fur et à mesure que les photons voyagent à travers le milieu, il perd de l’énergie au profit des atomes de rubidium, ce qui ralentit. Lorsque les chercheurs ont utilisé le laser pour tirer deux photons au lieu d’un, ils ont découvert que les photons devenaient une molécule à deux photons au moment où ils quittaient le milieu.

Un diagramme très instructif, montrant l'attraction (F) entre les deux photons

Un diagramme très informatif, montrant l’attraction (F) entre les deux photons dans une molécule photonique

Ces molécules photoniques ont été théorisées pour exister, par un effet appelé le blocage de Rydberg, mais c’est la première fois que ce nouvel état de la matière est physiquement réalisé. Contrairement à une molécule normale, où les atomes constitutifs sont maintenus ensemble par des liaisons chimiques causées par des charges opposées d’électrons ou de noyaux, ces molécules photoniques ne sont pas vraiment maintenues ensemble. Fondamentalement, lorsque chaque photon voyage à travers le milieu et pousse contre les atomes de rubidium, ils se repoussent l’un vers l’autre, forçant les deux photons à coexister. « C’est une interaction photonique qui est médiatisée par l’interaction atomique », a déclaré Lukin. « Cela fait que ces deux photons se comportent comme une molécule, et lorsqu’ils sortent du milieu, ils sont beaucoup plus susceptibles de le faire ensemble que comme des photons uniques. »

Comme pour tous les nouveaux effets, et plus encore avec les nouveaux états de la matière, Lukin et co ne sont pas tout à fait sûrs des applications pratiques que ces molécules photoniques pourraient avoir. Comme nous l’avons mentionné précédemment, la façon dont ces molécules photoniques se bousculent n’est pas complètement différente de la façon dont deux sabres laser s’affrontent dans Star Wars. Il y a aussi le fait que les photons sont notre meilleur pari pour les réseaux quantiques – mais il est difficile d’effectuer une logique avec les photons, car ils n’aiment pas interagir les uns avec les autres. Ces molécules photoniques pourraient apporter une solution à ce problème. Étant un état entièrement nouveau de la matière, cependant, nous ne saurons vraiment pas ce qui est possible tant que nous n’aurons pas effectué beaucoup plus de recherches – ce qui est exactement ce que le Center for Ultracold Atoms prévoit de faire.

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Document de recherche: doi:10.1038/nature12512 – « Des photons attractifs dans un milieu non linéaire quantique »

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