Exploration de phénomènes quantiques intrigants et de la dynamique des particules grâce à la dualité onde-particule de la lumière
La lumière est à la fois une onde et un flux de particules: les photons. Lorsque nous pensons à la lumière en termes classiques, nous l’imaginons comme une onde électromagnétique oscillante. À l’inverse, lorsqu’on explore sa nature quantique, l’accent est mis sur les photons individuels. Cette perspective quantique semble naturelle lorsqu’il ne s’agit que de quelques photons. Cependant, lorsque la lumière devient intense, transportant des millions, voire des milliards de photons, nous avons tendance à revenir à la pensée classique. Dans ce régime, la lumière est décrite comme une onde continue, et l’idée de propriétés quantiques peut sembler contre-intuitive.
Des champs laser puissants façonnent la nature quantique de la lumière
C’est exactement le domaine d’étude du projet QUMATTO, financé par le programme Actions Marie Sklodowska-Curie,qui a exploré la nature quantique de la lumière en présence de milliards de photons. «Notre objectif est d’exploiter ces immenses quantités de photons et de les faire se comporter d’une manière qui défie la compréhension conventionnelle des ondes électromagnétiques», note Mikhail Ivanov, coordinateur du projet. «Nous cherchons à générer un grand nombre de photons sur une large gamme de fréquences, de l’infrarouge à l’ultraviolet extrême, et à les façonner dans des états quantiques inhabituels. Il s’agit notamment d’états intriqués, où des photons de fréquences différentes sont mystérieusement connectés, ou d’états rappelant le célèbre chat de Schrödinger, qui existe dans deux conditions apparemment contradictoires à la fois.» Ces états quantiques uniques de la lumière sont les éléments constitutifs des technologies de l’information quantique, dans lesquelles les photons jouent un rôle central. Ce qui est révolutionnaire, c’est l’utilisation de champs laser puissants pour contrôler le mouvement des électrons qui émettent cette lumière, afin de créer des états quantiques de la lumière entièrement nouveaux. «Dans nos récents travaux publiés dans Physical Review X, nous explorons comment des champs lumineux classiques puissants peuvent contrôler le mouvement des électrons dans la matière, adaptant ainsi les caractéristiques quantiques de la lumière émise par ces électrons. Une prédiction frappante est que la lumière émise peut être considérablement "comprimée"», souligne Mikhail Ivanov. Cela signifie que certaines fluctuations quantiques de la lumière sont réduites en dessous de la limite quantique standard, une propriété inestimable pour les technologies quantiques.
La lumière quantique révèle la dynamique des électrons
Au fil des ans, les chercheurs ont étudié les propriétés quantiques des éclats de lumière de l’ordre de l’attoseconde émis par les atomes, les molécules et les solides. Ces éclats sont au cœur de la physique et de la technologie de l’attoseconde et ont été récompensés par le prix Nobel 2023 et le prix Wolf 2022 de physique. Au cours des 30 dernières années, des équipes de chercheurs ont maîtrisé l’art de produire, de contrôler et d’adapter ces éclats pour étudier le mouvement des électrons dans la matière, révélant ainsi la «danse» complexe entre les électrons et les atomes dans les molécules et les solides. Cependant, jusqu’à récemment, les chercheurs ont largement négligé les propriétés quantiques de ces éclats de lumière, qui révèlent des détails cachés sur le comportement des électrons. «Par exemple, lorsque des électrons rivalisent pour émettre un photon, les propriétés quantiques de ce photon conservent une "mémoire" de leur lutte, ce qui permet de mieux comprendre leurs interactions», fait remarquer Mikhail Ivanov. Cela ouvre une toute nouvelle voie dans le domaine de la spectroscopie optique ultrarapide. «Au lieu de nous appuyer uniquement sur les propriétés classiques de la lumière émise pour étudier le mouvement quantique de la matière, nous utilisons maintenant les propriétés quantiques de la lumière pour découvrir des détails encore plus profonds sur le comportement de la matière dans des états de non-équilibre élevé», ajoute Mikhail Ivanov. Dans l’ensemble, QUMATTO a exploré de nouvelles sources de lumière quantique dans une large gamme spectrale, permettant des avancées dans les technologies quantiques, la détection quantique et la métrologie de précision. En outre, les chercheurs ont été les premiers à utiliser la spectroscopie optique ultrarapide pour explorer la lumière classique et quantique, ce qui a permis d’obtenir de nouvelles informations sur la matière dans des états hors équilibre.
Mots‑clés
QUMATTO, lumière quantique, champ laser, spectroscopie optique ultrarapide, états hors équilibre, chat de Schrödinger
