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Des physiciens exploitent les «états sombres» atomiques pour stocker la lumière

Il s’avère que ce qui monte n’a pas besoin de redescendre.

Les physiciens ont réalisé un phénomène connu sous le nom de subradiance, dans lequel atomes s’attarder dans un état excité, dans un nuage dense d’atomes pour la première fois.

Exploiter la sous-radiance pourrait permettre aux scientifiques de créer des réseaux quantiques fiables et à longue durée de vie à partir de nuages ​​d’atomes, ont rapporté les physiciens dans une nouvelle étude.

Les atomes acquièrent de l’énergie en absorbant des photons (particules lumineuses) qui font passer leurs électrons de l’état « fondamental » de la plus basse énergie à des états excités à plus haute énergie. Une fois dans un état excité, les atomes émettent spontanément un photon et retombent à l’état fondamental. Mais ce n’est pas toujours le cas. Si de nombreux atomes sont regroupés et séparés par une distance plus courte que la longueur d’onde du photon émis, la lumière qu’ils émettent s’annulera et les atomes resteront dans leur état excité.

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Ce processus, appelé subradiance, empêche efficacement la désintégration d’un grand groupe, ou « ensemble », d’atomes excités. La sous-radiance a déjà été observée dans des ensembles atomiques dilués et des réseaux atomiques ordonnés, mais jamais auparavant dans des nuages ​​atomiques denses.

La subradiance fonctionne grâce à un phénomène appelé interférence destructive. Lorsque deux ondes lumineuses de même amplitude sont amenées à occuper la même partie de l’espace, les pics et les creux des ondes peuvent s’aligner pour s’additionner de manière constructive, créant une onde combinée deux fois plus brillante, ou de manière destructive, annulant les deux. vagues entièrement.

Mais comment l’annulation de la lumière émise par un nuage d’atomes peut-elle maintenir ces atomes dans un état excité ? La clé pour comprendre cette idée, selon les chercheurs, est d’observer la subradiance mécanique quantique – les règles étranges et probabilistes qui régissent le domaine subatomique.

À l’échelle minuscule du monde quantique étrange, les particules ont toutes deux des propriétés ondulatoires et peuvent simultanément parcourir tous les chemins infinis entre un point et un autre. Le chemin que la particule « choisit » de prendre, et celui que nous observons, dépend de la façon dont les particules ondulatoires interfèrent avec elles-mêmes. Ce n’est pas vraiment l’interférence destructrice entre les photons émis qui piège les atomes dans des états excités, mais à la place – et voici la partie farfelue – la possibilité que cela se produise, ce qui empêche les photons d’être émis en premier lieu.

« Pour comprendre quelle est la probabilité d’un événement physique, vous devez additionner tous les chemins menant à cet événement », a déclaré à 45Secondes.fr le co-auteur Loïc Henriet, ingénieur en logiciel quantique de la société française de processeurs quantiques Pasqal, dans un e-mail. « Dans certains cas, les chemins interfèrent de manière constructive et renforcent le phénomène, tandis que dans d’autres cas, il existe des effets d’interférence destructeurs qui suppriment la probabilité. L’interférence destructive des photons qui auraient été émis par des atomes individuels empêche la désintégration d’un état excité collectivement partagé dans l’ensemble atomique. »

Pour induire pour la première fois une subradiance dans un gaz dense, l’équipe a confiné un nuage de froid désordonné rubidium atomes à l’intérieur d’un piège optique à pincettes. Cette technique, pour laquelle les scientifiques ont remporté le prix Nobel de physique en 2018, utilise un faisceau de lumière laser très concentré pour maintenir de minuscules particules en place. Une seconde rafale de lumière laser a alors excité les atomes de rubidium.

De nombreux atomes excités se sont rapidement désintégrés par un processus appelé superradiance, qui est lié à la sous-radiance, mais qui a plutôt des atomes combinant leur lumière émise de manière constructive dans un flash super intense. Mais certains atomes s’attardaient dans un état subradiant, ou « sombre », incapable d’émettre une lumière qui interférerait de manière destructive. Au fil du temps, certains atomes dans des états superradiants sont également devenus subradiants, rendant le nuage d’atomes de plus en plus subradiant.

« Nous avons simplement attendu que le système se désintègre tout seul dans des états sombres », a déclaré Henriet. « La dynamique de désintégration est plutôt complexe, mais nous savons que les interactions conduisent en quelque sorte le système à peupler des états subradiants à plus long terme. »

Une fois qu’ils ont trouvé un moyen de créer un nuage subradiant, les chercheurs ont secoué les atomes de leurs états sombres en ajustant les pincettes optiques, permettant aux atomes d’émettre de la lumière sans interférence destructrice. Cela a entraîné un éclat de lumière du nuage.

L’équipe a également créé plusieurs nuages ​​de formes et de tailles différentes afin d’étudier leurs propriétés. Seul le nombre d’atomes dans un nuage excité affectait sa durée de vie – plus il y avait d’atomes, plus il leur fallait de temps pour revenir à leur état fondamental.

« Les effets d’interférence sont des effets collectifs ; pour que cela se produise, il faut plusieurs émetteurs », a déclaré Henriet. « Et cela devient plus prononcé lorsque vous augmentez le nombre d’émetteurs. Avec seulement deux atomes, il serait possible d’avoir une sorte de sous-radiance, mais ce serait un très petit effet physique. En augmentant le nombre d’atomes, on peut supprimer l’émission de photons plus efficacement. »

Maintenant que les chercheurs peuvent créer et contrôler des nuages ​​​​d’atomes subradiants, ils prévoient d’étudier des techniques, telles que l’organisation de leurs nuages ​​en motifs géométriques réguliers, qui, en leur permettant de régler avec précision la quantité d’interférences souhaitée, leur donneront encore plus de contrôle sur les durées de vie des atomes excités.

Les chercheurs pensent que leur découverte contribuera au développement de nombreuses nouvelles technologies, telles que de nouveaux ordinateurs quantiques et des capteurs de prévision météorologique plus précis.

Les chercheurs ont publié leurs résultats le 10 mai dans la revue Physical Review X.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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