Des physiciens ont créé ce qu’ils disent être le tout premier appareil capable de générer des particules qui se comportent comme si elles avaient une masse négative.
L’appareil en question génère une particule pour le moins étrange, qui est mi-lumière/mi-matière et cela pourrait également être le fondement d’un tout nouveau type de laser qui fonctionnerait avec beaucoup moins d’énergie que les technologies actuelles.
Les chercheurs se sont appuyés sur un travail théorique récent concernant le comportement des polaritons (des quasiparticules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une onde de polarisation électrique), qui semblent se comporter comme s’ils avaient une masse négative : une propriété qui voit les objets se déplacer contre la force qui les repousse, au lieu de simplement suivre la direction de cette force.
Il s’agit de physiciens de l’Université de Rochester (USA), qui ont mis au point ce dispositif qui leur permet de créer les polaritons à température ambiante. Le dispositif manipule les photons capturés et les combine avec une sorte de quasi-particule appelée exciton, afin de générer une particule mi-lumière/mi-matière, ce à quoi certains scientifiques donnent le nom de « poussière magique ». Rien que ce premier fait est « intéressant et excitant du point de vue de la physique », affirme le physicien Nick Vamivakas, de l’Institute of Optics de Rochester. « Mais il s’avère également que l’appareil que nous avons créé présente un moyen de générer de la lumière laser avec de très petites quantités d’énergie », ajoute-t-il.
Mais avant de parler de lasers, analysons ce que sont ces polaritons de « poussière magique ». Comme nous l’avons mentionné plus haut, la création d’un polariton implique la combinaison d’un photon avec une quasi-particule appelée exciton. À la différence des particules (telles que les électrons, les quarks ou encore les photons), les quasi-particules sont des entités conçues comme des particules, mais qui facilitent la description des systèmes de particules. En effet, les quasi-particules agissent comme des objets discrets ressemblant à des particules, et servent souvent le même but.
La quasi-particule en question est appelée exciton et il s’agit d’un électron ainsi qu’un trou d’électron (quasi-particule). La paire est liée par la force de Coulomb, qui se produit souvent lorsque la lumière interagit avec certains matériaux.
Dans le cas de cette étude, il se trouve que ce matériau est un semi-conducteur (très fin atomiquement parlant), fabriqué à partir de diséléniure de molybdène. Les chercheurs ont couplé le semi-conducteur avec une microcavité optique : une minuscule galerie de miroirs utilisée pour confiner une fréquence particulière de la lumière à une onde stationnaire. Ceci a combiné l’identité de l’exciton avec une onde stationnaire de lumière, pour créer un polariton.
De telles quasi-particules ne représentent pas vraiment une nouvelle découverte. Mais selon les chercheurs, la plupart des travaux sur les polaritons n’ont été réalisés que sur des quasi-particules constituées d’excitons neutres et de photons, et non sur d’autres types de particules et de quasi-particules.
Ce nouveau dispositif a permis aux chercheurs de sonder les interactions entre différents types de polaritons. Et il s’avère qu’ils sont très étranges. « En provoquant un exciton à abandonner une partie de son identité à un photon pour créer un polariton, nous nous retrouvons avec un objet qui a une masse associée négative », explique Vamivakas.
La masse négative est un concept difficile à comprendre, mais il est important de considérer ce travail dans son contexte. La masse est souvent observée comme une résistance ou une réponse à une force. Par exemple, il est plus difficile de pousser et d’arrêter une boule de bowling, qu’une bille. Un objet qui se comporte comme s’il avait une masse négative, comme les polaritons dans ces circonstances-ci, se comportera de manière inattendue. « C’est une chose qui fait réfléchir, parce que si vous essayez de le pousser ou de le tirer, l’objet ira dans la direction opposée à ce que votre intuition vous dirait », explique Vamivakas.
Cela pourrait donc avoir des applications plutôt intéressantes, dont l’émission stimulée du rayonnement électromagnétique : quelque chose que nous comprenons plus communément comme étant ce qui fait aligner les photons dans un laser. « Avec les polaritons que nous avons créés avec cet appareil, la prescription pour faire fonctionner un laser est totalement différente », continue d’expliquer Vamivakas.
Avec cette caractéristique de posséder une masse négative, les polaritons pourraient aider à créer des lasers avec un apport énergétique beaucoup plus faible que ceux utilisés aujourd’hui. Durant ces dernières années, de nombreuses recherches ont été menées concernant les quasi-particules, et ces dernières démontrent également un potentiel dans d’autres domaines technologiques, tels que l’informatique quantique. Les physiciens ont même commencé à se demander si cette « poussière magique » de lumière et de matière, pouvait servir de base à un futur superordinateur.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]