L’intrication est un phénomène étrange en physique quantique où deux particules sont intrinsèquement liées l’une à l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Quand l’un est mesuré, l’autre mesure est instantanément une donnée. Des chercheurs de l’Université Purdue ont proposé une nouvelle approche non conventionnelle pour générer une source de lumière spéciale composée de photons intriqués. Le 6 septembre 2022, ils ont publié leurs découvertes dans Recherche d’examen physique.
L’équipe a proposé une méthode pour générer des photons intriqués à des longueurs d’onde ultraviolettes extrêmes (XUV) là où aucune source de ce type n’existe actuellement. Leur travail fournit une feuille de route sur la façon de générer ces photons intriqués et de les utiliser pour suivre la dynamique des électrons dans les molécules et les matériaux sur des échelles de temps incroyablement courtes d’attosecondes.
« Les photons intriqués dans notre travail sont garantis pour arriver à un endroit donné dans un délai très court d’attosecondes, tant qu’ils parcourent la même distance », explique le Dr Niranjan Shivaram, professeur adjoint de physique et d’astronomie. « Cette corrélation dans leur temps d’arrivée les rend très utiles pour mesurer des événements ultrarapides. Une application importante est en métrologie attoseconde pour repousser les limites de la mesure des phénomènes à échelle de temps la plus courte. Cette source de photons intriqués peut également être utilisée en imagerie quantique et en spectroscopie. , où il a été démontré que les photons intriqués améliorent la capacité à obtenir des informations, mais maintenant aux longueurs d’onde XUV et même aux rayons X. »
Les auteurs de la publication, intitulée « Photons intriqués dans l’attoseconde issus de la désintégration à deux photons d’atomes métastables : une source d’expériences attosecondes et au-delà », sont tous issus du département de physique et d’astronomie de l’Université Purdue et travaillent avec le Purdue Quantum Science and Engineering Institute. (PQSEI). Il s’agit du Dr Yimeng Wang, récemment diplômé de l’Université Purdue ; Siddhant Pandey, Ph.D. candidat dans le domaine de la spectroscopie expérimentale ultrarapide ; Dr Chris H. Greene, professeur émérite Albert Overhauser de physique et d’astronomie; et le Dr Shivaram.
« Le Département de physique et d’astronomie de Purdue a un solide programme de physique atomique, moléculaire et optique (AMO), qui rassemble des experts dans divers sous-domaines de l’AMO », explique Shivaram. « Les connaissances expertes de Chris Greene en physique atomique théorique combinées à l’expérience de Niranjan dans le domaine relativement jeune de la science expérimentale de l’attoseconde ont conduit à ce projet collaboratif. Alors que de nombreuses universités ont des programmes AMO, le programme AMO de Purdue est particulièrement diversifié en ce qu’il a des experts dans plusieurs sous-domaines de Sciences de l’OMA. »
Chaque chercheur a joué un rôle important dans cette recherche en cours. Greene a initialement suggéré l’idée d’utiliser des photons émis par des atomes d’hélium comme source de photons intriqués et Shivaram a suggéré des applications à la science attoseconde et a proposé des schémas expérimentaux. Wang et Greene ont ensuite développé le cadre théorique pour calculer l’émission de photons intriqués des atomes d’hélium, tandis que Pandey et Shivaram ont fait des estimations des taux d’émission/absorption de photons intriqués et ont élaboré les détails des schémas expérimentaux attosecondes proposés.
La publication marque le début de cette recherche pour Shivaram et Greene. Dans cette publication, les auteurs proposent l’idée et élaborent les aspects théoriques de l’expérience. Shivaram et Greene prévoient de continuer à collaborer sur des idées expérimentales et théoriques supplémentaires. Le laboratoire de Shivaram, l’Ultrafast Quantum Dynamics Group, construit actuellement un appareil pour démontrer expérimentalement certaines de ces idées. Selon Shivaram, l’espoir est que d’autres chercheurs en science attoseconde commenceront à travailler sur ces idées. Un effort concerté de nombreux groupes de recherche pourrait encore accroître l’impact de ces travaux. Finalement, ils espèrent réduire l’échelle de temps des photons intriqués à la zeptoseconde, 10-21 secondes.
« En règle générale, les expériences sur des échelles de temps attosecondes sont réalisées à l’aide d’impulsions laser attosecondes comme » stroboscopes « pour » imager « les électrons. Les limites actuelles de ces impulsions sont d’environ 40 attosecondes. Notre idée proposée d’utiliser des photons intriqués pourrait réduire cela à quelques attosecondes ou zeptosecondes », explique Shivaram.
Afin de comprendre le timing, il faut comprendre que les électrons jouent un rôle fondamental dans la détermination du comportement des atomes, des molécules et des matériaux solides. L’échelle de temps du mouvement des électrons est généralement de l’ordre de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde – 10-15 secondes) et de l’attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde ou 10-18 secondes). Selon Shivaram, il est essentiel de mieux comprendre la dynamique des électrons et de suivre leur mouvement sur ces échelles de temps ultracourtes.
« L’objectif du domaine de la science ultrarapide est de créer de tels » films « d’électrons, puis d’utiliser la lumière pour contrôler le comportement de ces électrons afin de créer des réactions chimiques, de créer des matériaux aux propriétés nouvelles, de fabriquer des dispositifs à l’échelle moléculaire, etc. » il dit. « C’est l’interaction lumière-matière à son niveau le plus élémentaire, et les possibilités de découverte sont nombreuses. Une seule zeptoseconde est de 10 à 21 secondes. Mille zeptosecondes est une attoseconde. Les chercheurs commencent seulement maintenant à explorer les phénomènes de zeptoseconde, bien qu’il soit expérimentalement hors de portée en raison du manque d’impulsions laser zeptosecondes. Notre approche unique consistant à utiliser des photons intriqués au lieu de photons dans des impulsions laser pourrait nous permettre d’atteindre le régime zeptoseconde. Cela nécessitera un effort expérimental considérable et est probablement possible sur une échelle de temps de cinq ans . »
Yimeng Wang et al, Photons intriqués dans l’attoseconde provenant de la désintégration à deux photons d’atomes métastables : une source pour les expériences attosecondes et au-delà, Recherche d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.4.L032038