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Des physiciens observent un type de lumière « interdit », ouvrant l’accès à de nouveaux phénomènes quantiques

lumiere supercourants
| Jigang Wang

Utiliser la lumière pour accélérer les transferts d’électricité n’est pas une idée nouvelle. En effet, depuis quelques années, les physiciens ont montré que des impulsions lumineuses pouvaient être utilisées pour accélérer les paires électroniques de Cooper composant les supercourants. Cependant, en observant la lumière ensuite réémise par les paires de Cooper, une équipe de physiciens a découvert un processus inédit : l’émission d’une lumière de seconde harmonique. Ce type d’émission est normalement « interdit » dans les supraconducteurs. L’existence de ce processus interdit donne aux physiciens l’accès à de nouveaux phénomènes quantiques qui pourraient révolutionner les futures technologies quantiques. 

Les physiciens ont vu des choses inattendues dans les supercourants — l’électricité qui se déplace à travers les matériaux sans résistance, généralement à des températures très froides — qui brisent la symétrie et sont censées être interdites par les lois conventionnelles de la physique, explique Jigang Wang, professeur de physique et d’astronomie à Université d’État de l’Iowa.

Le laboratoire de Wang est pionnier dans l’utilisation d’impulsions lumineuses à des fréquences térahertz — des milliards d’impulsions par seconde — pour accélérer des paires d’électrons, appelées paires de Cooper, dans les supercourants. Dans ce cas, les chercheurs ont suivi la lumière émise par les paires d’électrons accélérés. Ce qu’ils ont observé était des « émissions de lumière de deuxième harmonique » ou de la lumière à deux fois la fréquence de la lumière entrante utilisée pour accélérer les électrons.

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Lumière de seconde harmonique : une porte d’accès vers de nouveaux phénomènes quantiques

Cela, selon Wang, est analogue au changement de couleur du spectre rouge vers le bleu profond. « Ces émissions de deuxièmes harmoniques térahertz sont censées être interdites dans les supraconducteurs ». Wang et ses collaborateurs — dont Ilias Perakis, professeur de physique à l’Université d’Alabama et le professeur Theodore H. Geballe de l’Université du Wisconsin-Madison — rapportent leur découverte dans un article de recherche publié dans la revue Physical Review Letters.

« La lumière interdite nous donne accès à une classe exotique de phénomènes quantiques appelés précessions de pseudo-spin d’Anderson interdites », indique Perakis. Le phénomène est nommé d’après Philip W. Anderson, co-lauréat du prix Nobel de physique de 1977, qui a mené des études théoriques sur les mouvements d’électrons dans des matériaux désordonnés tels que le verre, qui n’ont pas de structure régulière.

precession spin
L’émission d’une lumière de seconde harmonique donne accès à la manipulation des précessions de pseudo-spin d’Anderson, une classe de phénomènes quantiques affectant les symétries des particules. Crédits : Jigang Wang

Les études récentes de Wang ont été rendues possibles par un outil appelé spectroscopie térahertz quantique, qui peut visualiser et orienter les électrons. Il utilise des flashs laser térahertz comme bouton de commande pour accélérer les super-courants et accéder à de nouveaux états quantiques de la matière potentiellement utiles. Les chercheurs disent que l’accès à ce phénomène et à d’autres phénomènes quantiques pourrait aider à stimuler des innovations majeures.

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Vers le développement de futures technologies quantiques ultra-optimisées

« Tout comme les transistors gigahertz et les routeurs sans fil 5G d’aujourd’hui ont remplacé les tubes à vide mégahertz ou les vannes thermo-ioniques il y a plus d’un demi-siècle, les scientifiques sont à la recherche d’un bond en avant dans les principes de conception et les nouveaux dispositifs afin d’atteindre les capacités de calcul et de communication quantiques », explique Perakis.

« Trouver des moyens de contrôler, d’accéder et de manipuler les caractéristiques spéciales du monde quantique et de les connecter à des problèmes du monde réel est une impulsion scientifique majeure de nos jours. La National Science Foundation a inclus des études quantiques dans ses 10 grandes idées pour de futures recherches et le développement essentiels à notre nation ».

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Wang conclut : « la détermination et la compréhension de la rupture de symétrie dans les états supraconducteurs sont une nouvelle frontière à la fois pour la découverte fondamentale de matière quantique et la science de l’information quantique pratique. La deuxième génération d’harmoniques est une sonde de symétrie fondamentale. Cela sera utile dans le développement du futur calcul quantique et l’électronique à haute vitesse et faible consommation d’énergie ».

Sources : Physical Review Letters

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