Une première mondiale rend la lumière supersolide
Des chercheurs soutenus par les projets Q-ONE et PolArt, financés par l’UE, ont réussi pour la première fois à faire en sorte que la lumière se comporte comme un supersolide. Ce résultat remarquable pourrait nous aider à mieux comprendre l’étrange phase quantique de la matière appelée supersolidité et laisse entrevoir le développement de nombreuses nouvelles applications, telles que les ordinateurs quantiques et les supraconducteurs. Dans un état supersolide, les particules sont disposées selon une structure cristalline ordonnée, mais elles peuvent également s’écouler librement comme un liquide non visqueux. Ce n’est qu’en 2017 que les scientifiques ont réussi à produire des preuves expérimentales convaincantes de cet état. Dans leur étude publiée dans la revue «Nature», des chercheurs autrichiens, italiens et américains sont désormais allés plus loin et ont transformé la lumière en un supersolide. «Ce n’est que le début de la compréhension de la supersolidité», déclarent deux coauteurs de l’étude, les physiciens italiens Antonio Gianfrate de l’institut du Conseil national de la recherche CNR-NANOTEC et Davide Nigro de l’université de Pavie, dans un récent article paru sur «Newsweek». Le CNR-NANOTEC est l’institut de nanotechnologie du Conseil national de la recherche italien, qui est le coordinateur du projet Q-ONE et un partenaire de PolArt.
L’émergence de l’exotisme
Les phases de la matière telles que les supersolides se produisent généralement à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (-273,15 ℃). Selon les chercheurs, c’est à ces températures que «la nature mécanique quantique des atomes émerge et que des phases exotiques de la matière apparaissent». L’existence potentielle de telles phases exotiques a incité les physiciens à réaliser des expériences avec des photons. Pour créer son supersolide, l’équipe de recherche a dirigé la lumière d’un laser vers une plateforme semi-conductrice photonique composée d’arséniure d’aluminium et de gallium, dans laquelle les photons se comportaient comme des électrons. Son système repose sur la formation de quasiparticules bosoniques appelées «polaritons», créées en couplant des photons avec des excitons par le biais de fortes interactions électromagnétiques. Dans ce système, les photons peuvent occuper l’un des trois états quantiques, tous dotés de la même énergie mais de nombres d’ondes différents. Au début, les quelques photons présents dans la plateforme semi-conductrice ont des fréquences et des longueurs d’onde différentes, déphasées les unes par rapport aux autres. Cependant, lorsqu’ils atteignent un seuil de comptage, ils forment un condensat de polaritons unique à l’état d’énergie le plus bas possible. Dans «Newsweek», Antonio Gianfrate et Davide Nigro comparent la situation à un théâtre bondé où seuls trois sièges de la première rangée sont libres, un au centre et deux aux deux extrémités de la rangée. «Le siège central offre la meilleure vue, c’est donc là que les personnes veulent s’asseoir, mais une seule d’entre elles peut l’occuper», expliquent-ils. «Dans un théâtre quantique, tout le monde peut s’asseoir sur le siège central, formant ce que l’on appelle un condensat de Bose-Einstein, un état superfluide dans lequel une grande partie des particules occupent simultanément l’état quantique de plus basse énergie.» Lorsque le nombre de photons dans le siège central atteint un certain seuil, des paires de photons sont poussées dans les deux autres sièges, que l’on appelle les états adjacents, afin de réduire l’énergie du système. «Ces photons forment des condensats satellites qui ont des nombres d’ondes opposés non nuls mais la même énergie (ils sont isoénergétiques)», commentent les chercheurs, qui ajoutent que c’est ainsi que l’état supersolide émerge. Le projet Q-ONE (Quantum Optical Networks based on Exciton-polaritons) prendra fin en 2027. PolArt (Neuromorphic Polariton Accelerator) se terminera en 2028. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet Q-ONE site web du projet PolArt
Mots‑clés
Q-ONE, PolArt, photon, lumière, polariton, supersolide, quantique, état, énergie, particule, semi-conducteur
