Découverte d'une nouvelle forme de matière qui se comporte comme un... sabre laser

Des scientifiques sont parvenus à créer une nouvelle forme de matière qui se comporte comme les sabres laser du film Star Wars. Cela ne s’est pas déroulé dans une lointaine galaxie mais au centre pour les atomes ultra-froids du MIT et d’Harvard.

Mikhail Lukin, professeur de physique au MIT et Vladan Vuletic, professeur de physique à Harvard sont parvenus à rassembler des photons pour qu’ils forment une molécule, un état de matière qui, jusqu’à récemment, n’était que purement théorique. Leur travail est décrit dans Nature du 25 septembre.

Selon Lukin, la découverte va à l’encontre de décennies de connaissances acceptées sur la nature de la lumière. Les photons ont longtemps été décrits comme des particules sans masse qui n’interagissent pas avec les autres, en envoyant deux faisceaux lasers l’un sur l’autre, les photons passent simplement.

Les molécules photoniques se comportent moins comme des lasers traditionnels et plus comme quelque chose qu’on retrouve dans des films de science-fiction : le sabre laser.

Lukin explique : « La plupart des propriétés de la lumière que nous connaissons provient du fait que les photons sont sans masse et qu’ils n’interagissent pas entre eux, mais ce que nous avons fait, c’est de créer un type spécial de médium dans lequel les photons interagissent ensemble avec une telle force qu’ils commencent à se comporter comme s’ils avaient une masse, et ils se regroupent pour former une molécule. Ce type d’état était discuté d’un point de vue théorique depuis quelque temps, et jusqu’à maintenant, il n’avait jamais été observé. »

« Comparer cette découverte avec les sabres laser n’est pas une analogie inepte. Quand les photons interagissent entre eux, ils se poussent et dévient. La physique de ce qui se passe dans ces molécules est similaire à ce que nous voyons dans les films. »

Pas de force mystérieuse pour créer cette molécule. Les chercheurs ont envoyé des atomes de rubidium dans une chambre vide, puis ils ont utilisé des laser pour refroidir le nuage d’atomes à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Et en utilisant des impulsions laser extrêmement faibles, ils ont envoyé des photons uniques dans le nuage d’atomes.

Lukin raconte : « Alors que les photons entraient dans le nuage d’atomes froids, son énergie excitait les atomes sur son chemin, ce qui ralentissait dramatiquement le photon. Et alors que le photon se déplaçait dans le nuage, cette énergie passait d’atome en atome, et finissait par sortir du nuage avec le photon ».

Quand le photon sort du médium, son identité est préservée. Quand les professeurs ont envoyé deux photons dans le nuage, ils ont eu la surprise de les voir sortir ensemble, comme une seule molécule.

L’effet s’appelle une constante de Rydberg. Quand un atome est excité, les atomes à proximité ne peuvent pas être excités au même degré. En pratique, l’effet signifie que tant que deux photons entrent dans le nuage atomique, le premier excite un atome, mais il doit avancer avec que le deuxième photon puisse exciter un atome voisin.

Le résultat ? Les deux photons se repoussent et s’attirent dans le nuage pendant que leur énergie passe d’un atome à l’autre. « Il s’agit d’une interaction photonique qui est véhiculée par l’interaction atomique. Ces deux photons se comportent alors comme une molécule quand ils sortent de nuage, puisqu’ils ont plus de chance d’y parvenir ensemble plutôt qu’en photon simple. »

Et si cet effet est plutôt inhabituel, il peut avoir des applications pratiques.

« Nous faisons ça pour nous amuser et pour repousser les frontières de la science. Mais cela vient nourrir notre plus grand projet parce que les photons restent le meilleur moyen possible pour transporter l’information quantique. Et le handicap était que les photons n’interagissent pas entre eux ».

Pour construire un ordinateur quantique, les chercheurs ont besoin de construire un système que peut préserver l’information quantique et la travailler en utilisant des opérations logiques quantiques. Cette découverte est un premier pas vers la construction d’un ordinateur quantique.

Selon Lukin, ce système pourrait aussi servir à fabriquer des structures tridimensionnelles complexes comme des cristaux, simplement à partir de lumière.

« Nous ne savons pas encore à quoi peut servir cette découverte, mais il s’agit d’un nouvel état de la matière. Nous avons de bons espoirs de penser que de nouvelles applications pourront émerger pendant que nous continuons de définir les propriétés de ces molécules photoniques ».

Cette nouvelle matière ouvre des portes qui peuvent rendre la science-fiction bien réelle. Des ordinateurs quantiques, des cristaux fabriqués avec de la lumière, et peut être un jour des sabres laser. Après tout, si on peut le rêver, on peut certainement aussi le créer.