Pour la première fois, des physiciens aperçoivent un « fantôme quantique »

Première reconstruction expérimentale d’une fonction d’onde quantique, après une décennie de recherches.

mesure expérimentale fonction d'onde
Vue d'artiste d'électrons accélérés par des impulsions laser. Le but étant qu'ils libèrent un éclat de lumière, fournissant ainsi des informations sur leur fonction d'onde quantique. | Brian Long
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Un objectif central de la physique de la matière condensée est de comprendre comment les diverses propriétés électroniques et optiques des matériaux cristallins émergent du mouvement ondulatoire des électrons à travers des atomes disposés périodiquement. Plus de 90 ans après que Felix Bloch a décrit pour la première fois le comportement des électrons dans les solides cristallins, des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara rapportent avoir reconstruit une fonction d’onde à partir d’une mesure de la réponse d’un matériau semi-conducteur à une impulsion lumineuse ultrarapide.

Les propriétés des matériaux peuvent influencer le comportement des objets quantiques, en particulier la vitesse à laquelle la lumière se propage. De même, les électrons se comportent différemment dans les matériaux que dans l’espace libre, et saisir cette différence est essentiel pour les scientifiques qui cherchent à développer de nouvelles technologies. « La nature ondulatoire d’un électron est très particulière. Et si vous souhaitez concevoir des dispositifs à l’avenir qui tirent parti de cette propriété de mécanique quantique, vous devez très bien connaître ces fonctions d’onde », a expliqué Joe Costello, étudiant diplômé de l’UC Santa Barbara en physique de la matière condensée et co-auteur de l’étude.

Pour prédire la vitesse à laquelle un électron se déplace à l’intérieur d’un matériau ou la quantité d’énergie qu’il peut transporter, les calculs reposent sur la fonction d’onde de Bloch, du nom du physicien Felix Bloch, qui l’a établie en 1929. « Ce qui est caractérisé depuis longtemps, ce sont les énergies [des électrons]. C’est la base de toute l’électronique. Mais maintenant, avec la technologie de l’information quantique, le niveau suivant consiste à aller au-delà et à obtenir éventuellement ces phases [de fonction d’onde] », explique Mackillo Kira, physicien à l’Université du Michigan, qui n’a pas été directement impliqué dans cette nouvelle étude.

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Une mesure qui repose sur les mouvements d’électrons et leurs lacunes

La fonction d’onde est un concept abstrait, utilisé pour prédire le comportement des particules quantiques, et dont certains aspects ne sont pas encore pleinement maîtrisés par les physiciens. Or, pour la première fois, Costello et ses collègues ont développé une méthode pour calculer cette fonction d’onde à partir de mesures physiques. « C’est la première fois qu’il y a une reconstruction expérimentale d’une fonction d’onde de Bloch », souligne Mark Sherwin, professeur de physique de la matière condensée à l’UC Santa Barbara et auteur principal de l’étude.

Comme toute matière, les électrons peuvent se comporter comme des particules et comme des ondes. Les fonctions d’onde qui décrivent leurs propriétés ondulatoires comportent à la fois des composants réels et imaginaires, ce que les mathématiciens appellent des fonctions « complexes ». En tant que telle, la valeur de la fonction d’onde de Bloch d’un électron n’est pas directement mesurable, mais les propriétés qui lui sont associées peuvent, elles, être directement observées.

La difficulté réside dans le fait qu’en raison du caractère aléatoire d’un matériau, les électrons sont bousculés et leurs fonctions d’onde se dispersent, a précisé Seamus O’Hara, l’un des co-auteurs. Cela se produit extrêmement rapidement (de l’ordre d’une centaine de femtosecondes !), ce qui empêche les chercheurs d’obtenir une mesure suffisamment précise des propriétés ondulatoires de l’électron dans un matériau pour reconstruire la fonction d’onde de Bloch. Sherwin et son équipe ont cependant réussi à relever le défi à l’aide d’un matériau semi-conducteur, l’arséniure de gallium (GaAs).

Tous les électrons ce ce matériau sont initialement impliqués dans les liaisons atomiques Ga-As. À l’aide d’un laser infrarouge à basse intensité et haute fréquence, les chercheurs ont excité les électrons du matériau de manière à les rendre plus mobiles et à les « extraire » des liaisons. Chaque électron libéré a laissé derrière lui une « lacune » chargée positivement. Dans l’arséniure de gallium, il existe deux types de lacunes, des « lourdes » et des « légères », qui se comportent comme des particules de masses différentes.

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Reconstituer la fonction d’onde à partir de la polarisation de la lumière

Parallèlement, un puissant laser térahertz créait un champ électrique oscillant dans le matériau, qui pouvait accélérer ces charges nouvellement libérées. Si les électrons mobiles et les lacunes étaient créés au bon moment, ils accéléraient en s’éloignant les uns des autres, ralentissaient, s’arrêtaient, puis se rapprochaient à nouveau et se recombinaient. À ce stade, ils émettaient une impulsion de lumière, appelée « bande latérale », avec une énergie caractéristique. Cette émission encodait des informations sur les fonctions d’onde quantiques, y compris leurs phases, ou le décalage des ondes les unes par rapport aux autres.

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Parce que les lacunes légères et lourdes ont accéléré à des vitesses différentes dans le champ électrique, leurs fonctions d’onde de Bloch ont acquis différentes phases quantiques avant de se recombiner avec les électrons. En conséquence, leurs fonctions d’onde ont interféré pour produire l’émission finale mesurée par l’appareil. Cette interférence a également dicté la polarisation de la bande latérale finale — soit la direction dans laquelle les ondes lumineuses oscillent lorsqu’elles se déplacent — qui pouvait être circulaire ou elliptique, même si la polarisation des deux lasers était linéaire.

fonctions ondes bloch reconstruction
Reconstruction graphique des fonctions d’onde de Bloch. © J. B. Costello et al

L’un des membres de l’équipe, Qile Wu, a montré que c’est justement cette polarisation qui permet de relier les données expérimentales à la théorie quantique. Parce que les phases de fonction d’onde sont généralement représentées comme des nombres imaginaires plutôt que réels dans les équations des physiciens, les relier à la polarisation — très réelle et mesurable — de la lumière constituait une avancée majeure pour Wu et ses collaborateurs.

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Actuellement, les scientifiques et les ingénieurs doivent s’appuyer sur des théories dont les paramètres sont mal connus. « Si nous parvenons à reconstruire avec précision les fonctions d’onde de Bloch dans une variété de matériaux, cela permettra de concevoir et d’élaborer toutes sortes de choses utiles et intéressantes, comme des lasers, des détecteurs et même des architectures de calcul quantique », a déclaré Sherwin. Maintenant qu’ils ont validé leur technique avec un matériau qu’ils connaissent bien, les chercheurs sont impatients de l’appliquer à de nouveaux matériaux et à des quasi-particules plus exotiques.

Source : Nature, J. Costello et al.

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