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Les photons sont des particules élémentaires sans masse qui n’interagissent généralement pas les unes avec les autres. Cependant, les interactions photoniques peuvent s’avérer utiles dans de nombreuses applications technologiques. C’est pourquoi des physiciens ont récemment combiné atomes et laser afin de créer des quasi-particules particulières, appelées polaritons de Floquet, dans lesquelles les photons interagissent.

Des physiciens de l’Université de Chicago ont mis au point un nouveau moyen extrêmement flexible de faire en sorte que les photons interagissent les uns avec les autres. La façon d’y arriver est de les faire se rencontrer au sein d’un atome, et de combiner leurs propriétés avec celles d’un électron. L’étude a été publiée dans la revue Nature Letters.

Les chercheurs étudient ces interactions en laboratoire depuis plusieurs années. Les partenariats électron-photon forment une quasi-particule appelée polariton.  Les particules de faible masse ressemblant à des photons ont un potentiel énorme en informatique et en communication cryptée, aussi les physiciens souhaitent-ils mieux les contrôler.

« Mais nous rencontrions un problème, car les photons n’interagissaient qu’avec des atomes dont les orbitales électroniques avaient des énergies très particulières » explique le physicien de l’université de Chicago, Logan Clark.

Interactions photoniques et polaritons de Floquet

Clark cherchait déjà des moyens de manipuler la complexité des niveaux d’énergie atomique en utilisant une propriété de la physique quantique qui divise les orbitales électroniques en copies, lorsque le type d’impulsion approprié leur est donné. « Nous avions toujours considéré les copies comme un effet secondaire plutôt que comme un objectif. Mais cette fois, nous avons secoué nos électrons avec l’intention spécifique d’effectuer les copies » déclare Clark.

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Pour ce faire, il est nécessaire d’exploiter l’ingénierie Floquet, qui s’attache à la manipulation spécifique des champs magnétiques. Clark et son équipe ont utilisé un laser pour déplacer des électrons dans un atome de rubidium excité, les faisant vibrer de manière à modifier efficacement le spectre de couleur de l’atome.

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En arrachant les électrons des orbitales du rubidium de la bonne manière, les physiciens peuvent changer leurs orbitales. L’impulsion précise du laser leur a permis de produire de nouveaux niveaux d’énergie au sein de chaque orbitale. Ensuite, les chercheurs ont combiné des photons avec des orbitales électroniques clonées fonctionnant à plusieurs niveaux d’énergie, créant une variation de la quasi-particule que les auteurs ont baptisée “polariton de Floquet”.

Polaritons de Floquet : des applications pour diverses technologies quantiques

Contrairement aux autres polaritons, ils existent dans un espace plus personnalisable et contrôlable en modulant simplement la fréquence de leur environnement. « Les polaritons de Floquet sont encore pleins de surprises ; nous continuons toujours à mieux les comprendre. Notre prochain travail consistera toutefois à utiliser ces photons en collision pour créer des fluides photoniques topologiques » explique Clark.

L’utilisation de l’ingénierie Floquet devrait ouvrir la voie à de nouvelles applications en informatique quantique, permettant de manipuler diverses interactions énergétiques au sein de différents systèmes quantiques et nanostructures, sans oublier de fournir de nouvelles méthodes d’étude des interactions entre lumière et matière.

Sources : Nature Letters

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