Des physiciens créent un gaz quantique optique compressible

Des chercheurs de l’Université de Bonn ont créé un gaz de particules légères qui peut être extrêmement comprimé. Leurs résultats confirment les prédictions des théories centrales de la physique quantique. Les résultats pourraient également ouvrir la voie à de nouveaux types de capteurs capables de mesurer des forces infimes. L’étude est publiée dans la revue La science.

Si vous branchez la sortie d’une pompe à air avec votre doigt, vous pouvez toujours pousser son piston vers le bas. La raison : les gaz sont assez faciles à compresser, contrairement aux liquides, par exemple. Si la pompe contenait de l’eau au lieu de l’air, il serait pratiquement impossible de déplacer le piston, même avec le plus grand effort.

Les gaz sont généralement constitués d’atomes ou de molécules qui tourbillonnent plus ou moins rapidement dans l’espace. C’est assez similaire à la lumière : ses plus petits éléments constitutifs sont les photons, qui à certains égards se comportent comme des particules. Et ces photons peuvent également être traités comme un gaz, cependant, un gaz qui se comporte de manière quelque peu inhabituelle : vous pouvez le compresser dans certaines conditions sans presque aucun effort. C’est du moins ce que prédit la théorie.

Photons dans la boîte à miroir

Des chercheurs de l’Institut de physique appliquée (IAP) de l’Université de Bonn ont maintenant démontré pour la première fois cet effet dans des expériences. « Pour ce faire, nous avons stocké des particules de lumière dans une minuscule boîte faite de miroirs », explique le Dr Julian Schmitt de l’IAP, qui est chercheur principal dans le groupe du professeur Dr Martin Weitz. « Plus nous y mettions de photons, plus le gaz photonique devenait dense. »

La règle est généralement la suivante : plus un gaz est dense, plus il est difficile à comprimer. C’est également le cas avec la pompe à air bouchée – au début, le piston peut être poussé très facilement vers le bas, mais à un moment donné, il peut difficilement être déplacé plus loin, même en appliquant beaucoup de force. Les expériences de Bonn étaient initialement similaires : plus ils mettaient de photons dans la boîte à miroir, plus il devenait difficile de comprimer le gaz.

Cependant, le comportement a changé brusquement à un certain point : dès que le gaz photonique dépassait une densité spécifique, il pouvait soudainement être comprimé sans presque aucune résistance. « Cet effet résulte des règles de la mécanique quantique », explique Schmitt, qui est également membre associé du pôle d’excellence « Matter and Light for Quantum Computing » et chef de projet au Transregio Collaborative Research Center 185. La raison : La lumière les particules présentent un « flou » – en termes simples, leur emplacement est quelque peu flou. Comme ils se rapprochent les uns des autres à des densités élevées, les photons commencent à se chevaucher. Les physiciens parlent alors aussi d’une « dégénérescence quantique » du gaz. Et il devient beaucoup plus facile de comprimer un tel gaz quantique dégénéré.

Photons auto-organisés

Si le chevauchement est suffisamment fort, les particules lumineuses fusionnent pour former une sorte de super-photon, un condensat de Bose-Einstein. En termes très simplifiés, ce processus peut être comparé à la congélation de l’eau : à l’état liquide, les molécules d’eau sont désordonnées ; puis, au point de congélation, les premiers cristaux de glace se forment, qui finissent par fusionner en une couche de glace étendue et hautement ordonnée. Des « îlots d’ordre » se forment également juste avant la formation du condensat de Bose-Einstein, et ils deviennent de plus en plus grands avec l’ajout supplémentaire de photons.

Le condensat ne se forme que lorsque ces îlots ont tellement grossi que l’ordre s’étend sur toute la boîte miroir contenant les photons. Cela peut être comparé à un lac sur lequel des banquises indépendantes se sont finalement réunies pour former une surface uniforme. Naturellement, cela nécessite un nombre beaucoup plus important de particules de lumière dans une boîte étendue par rapport à une petite. « Nous avons pu démontrer cette relation dans nos expériences », souligne Schmitt.

Pour créer un gaz au nombre de particules variable et à température bien définie, les chercheurs utilisent un « bain de chaleur » : « On insère dans la boîte miroir des molécules capables d’absorber les photons », explique Schmitt. « Par la suite, ils émettent de nouveaux photons qui possèdent en moyenne la température des molécules – dans notre cas, un peu moins de 300 Kelvin, ce qui correspond à la température ambiante. »

Les chercheurs ont également dû surmonter un autre obstacle : les gaz photoniques ne sont généralement pas uniformément denses : il y a beaucoup plus de particules à certains endroits qu’à d’autres. Cela est dû à la forme du piège dans lequel ils sont généralement contenus. « Nous avons adopté une approche différente dans nos expériences », explique Erik Busley, premier auteur de la publication. « Nous capturons les photons dans une boîte miroir à fond plat que nous avons créée à l’aide d’une méthode de microstructuration. Cela nous a permis de créer pour la première fois un gaz quantique homogène de photons. »

À l’avenir, la compressibilité améliorée quantique du gaz permettra la recherche de nouveaux capteurs capables de mesurer des forces minuscules. Outre les perspectives technologiques, les résultats présentent également un grand intérêt pour la recherche fondamentale.