Les métamatériaux à indice zéro offrent de nouvelles perspectives sur les fondements de la mécanique quantique

En physique, comme dans la vie, il est toujours bon de voir les choses sous des angles différents.

Depuis le début de la physique quantique, la façon dont la lumière se déplace et interagit avec la matière qui l’entoure a principalement été décrite et comprise mathématiquement à travers le prisme de son énergie. En 1900, Max Planck a utilisé l’énergie pour expliquer comment la lumière est émise par des objets chauffés, une étude fondamentale à la base de la mécanique quantique. En 1905, Albert Einstein a utilisé l’énergie lorsqu’il a introduit le concept de photon.

Mais la lumière a une autre qualité tout aussi importante, connue sous le nom de momentum. Et il s’avère que lorsque vous perdez de l’élan, la lumière commence à se comporter de manière vraiment intéressante.

Une équipe internationale de physiciens dirigée par Michaël Lobet, chercheur associé à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et Eric Mazur, professeur Balkanski de physique et de physique appliquée à SEAS, réexaminent les fondements de la physique quantique du point de vue de la quantité de mouvement et d’explorer ce qui se passe lorsque la quantité de mouvement de la lumière est réduite à zéro.

La recherche est publiée dans Lumière naturelle : science et applications.

Tout objet ayant une masse et une vitesse a une quantité de mouvement – des atomes aux balles en passant par les astéroïdes – et la quantité de mouvement peut être transférée d’un objet à un autre. Une arme à feu recule lorsqu’une balle est tirée parce que l’élan de la balle est transféré à l’arme. A l’échelle microscopique, un atome recule lorsqu’il émet de la lumière à cause de l’impulsion acquise du photon. Le recul atomique, décrit pour la première fois par Einstein lorsqu’il écrivait la théorie quantique du rayonnement, est un phénomène fondamental qui régit l’émission de lumière.

Mais un siècle après Planck et Einstein, une nouvelle classe de métamatériaux soulève des questions concernant ces phénomènes fondamentaux. Ces métamatériaux ont un indice de réfraction proche de zéro, ce qui signifie que lorsque la lumière les traverse, elle ne se déplace pas comme une onde en phases de crêtes et de creux. Au lieu de cela, l’onde est étirée à l’infini, créant une phase constante. Lorsque cela se produit, de nombreux processus typiques de la mécanique quantique disparaissent, y compris le recul atomique.

Pourquoi? Tout revient à l’élan. Dans ces matériaux dits à indice proche de zéro, l’impulsion de la lumière devient nulle et lorsque l’impulsion de l’onde est nulle, des choses étranges se produisent.

« Les processus radiatifs fondamentaux sont inhibés dans les matériaux tridimensionnels à indice proche de zéro », explique Lobet, qui est actuellement chargé de cours à l’Université de Namur en Belgique. « Nous avons réalisé que le recul d’impulsion d’un atome est interdit dans les matériaux à indice proche de zéro et qu’aucun transfert d’impulsion n’est autorisé entre le champ électromagnétique et l’atome. »

Si enfreindre l’une des règles d’Einstein ne suffisait pas, les chercheurs ont également brisé l’expérience peut-être la plus connue en physique quantique, l’expérience à double fente de Young. Cette expérience est utilisée dans des salles de classe du monde entier pour démontrer la dualité particule-onde en physique quantique, montrant que la lumière peut afficher les caractéristiques des ondes et des particules.

Dans un matériau typique, la lumière traversant deux fentes produit deux sources d’ondes cohérentes qui interfèrent pour former un point lumineux au centre de l’écran avec un motif de franges claires et sombres de chaque côté, appelées franges de diffraction.

« Lorsque nous avons modélisé et calculé numériquement l’expérience à double fente de Young, il s’est avéré que les franges de diffraction disparaissaient lorsque l’indice de réfraction était abaissé », a déclaré le co-auteur Larissa Vertchenko, de l’Université technique du Danemark.

« Comme on peut le voir, ce travail interroge les lois fondamentales de la mécanique quantique et sonde les limites de la dualité onde-corpuscule », a déclaré le co-auteur Iñigo Liberal, de l’Université publique de Navarre à Pampelune, en Espagne.

Alors que certains processus fondamentaux sont inhibés dans les matériaux à indice de réfraction proche de zéro, d’autres sont améliorés. Prenons un autre phénomène quantique célèbre : le principe d’incertitude de Heisenberg, plus précisément connu en physique sous le nom d’inégalité de Heisenberg. Ce principe stipule que vous ne pouvez pas connaître à la fois la position et la vitesse d’une particule avec une précision parfaite et plus vous en savez sur l’une, moins vous en savez sur l’autre. Mais, dans les matériaux à indice proche de zéro, vous savez avec une certitude à 100 % que la quantité de mouvement d’une particule est nulle, ce qui signifie que vous n’avez absolument aucune idée de l’endroit où se trouve la particule dans le matériau à un moment donné.

« Ce matériau ferait un microscope vraiment médiocre, mais il permet de masquer parfaitement les objets », a déclaré Lobet. « D’une certaine manière, les objets deviennent invisibles. »

« Ces nouveaux résultats théoriques jettent un nouvel éclairage sur la photonique à indice de réfraction proche de zéro du point de vue de l’impulsion », a déclaré Mazur. « Il fournit des informations sur la compréhension des interactions lumière-matière dans les systèmes à faible indice de réfraction, ce qui peut être utile pour les applications d’optique laser et quantique. »

La recherche pourrait également faire la lumière sur d’autres applications, notamment l’informatique quantique, les sources de lumière qui émettent un seul photon à la fois, la propagation sans perte de la lumière à travers un guide d’ondes et plus encore.

L’équipe vise ensuite à revisiter d’autres expériences quantiques fondamentales dans ces matériaux du point de vue de l’élan. Après tout, même si Einstein n’a pas prédit des matériaux à indice de réfraction proche de zéro, il a souligné l’importance de la quantité de mouvement. Dans son article fondateur de 1916 sur les processus radiatifs fondamentaux, Einstein a insisté sur le fait que d’un point de vue théorique, l’énergie et la quantité de mouvement « devraient être considérées sur un pied d’égalité puisque l’énergie et la quantité de mouvement sont liées de la manière la plus étroite possible ».

« En tant que physiciens, c’est un rêve de suivre les traces de géants comme Einstein et de pousser leurs idées plus loin », a déclaré Lobet. « Nous espérons que nous pourrons fournir un nouvel outil que les physiciens pourront utiliser et une nouvelle perspective, qui pourrait nous aider à comprendre ces processus fondamentaux et à développer de nouvelles applications. »