Pour la première fois, des physiciens ont créé un gaz unidimensionnel composé de lumière pure et ils veulent l’utiliser pour étudier comment les photons, ou particules de lumière, se comportent au niveau quantique.
Les scientifiques ont créé ce nouvel état de la matière, appelé gaz photonique, en tirant un laser dans un récipient réfléchissant rempli de colorant, provoquant le refroidissement et la condensation des photons du faisceau. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 6 septembre dans la revue Physique de la nature.
« Pour créer ces types de gaz, nous devons concentrer de nombreux photons dans un espace confiné et les refroidir simultanément », a déclaré l’auteur principal de l’étude. Frank Vewingerun physicien de l’Université de Bonn, a déclaré dans un déclaration.
Les photons sont des bosons, des particules qui ont un spin entier, ce qui signifie qu’elles peuvent occuper le même état et le même espace à un instant donné. Lorsqu’un gaz de bosons est refroidi à des températures proches de zéro, toutes ses particules perdent leur énergie et entrent dans les mêmes états énergétiques.
Comme nous ne pouvons distinguer les particules autrement identiques dans un nuage de gaz qu’en regardant leurs niveaux d’énergie, cette égalisation a un effet profond : le nuage autrefois disparate de particules vibrantes, frétillantes et en collision qui composent un gaz plus chaud devient alors, d’un mécanique quantique point de vue, parfaitement identique, créant une forme insaisissable de matière appelée Condensat de Bose-Einstein.
L’existence d’une forme condensée rend la position des particules dans un gaz très incertaine. En conséquence, les emplacements que chaque particule pourrait éventuellement occuper deviennent plus grands que les espaces entre les particules elles-mêmes. Au lieu d’être des objets distincts, les photons qui se chevauchent dans un gaz de photons agissent alors comme s’ils n’étaient qu’une seule particule géante.
Les physiciens ont déjà créé des gaz photoniques en deux dimensions. Mais les créer en une seule dimension est beaucoup plus compliqué.
« Les choses sont un peu différentes lorsque nous créons un gaz unidimensionnel au lieu d’un gaz bidimensionnel », a déclaré Vewinger. « Les fluctuations dites thermiques se produisent dans les gaz photoniques, mais elles sont si petites en deux dimensions qu’elles n’ont pas de réel impact. Cependant, dans une dimension, ces fluctuations peuvent, au sens figuré, provoquer de grosses vagues. »
Pour créer un gaz photonique unidimensionnel, les chercheurs ont rempli un minuscule récipient réfléchissant d’une solution colorante avant d’y envoyer un laser. Les photons de la lumière laser ont rebondi dans le récipient jusqu’à ce qu’ils entrent en collision avec les molécules de colorant, ce qui les a privées de leur énergie et les a amenées à se regrouper.
En appliquant un polymère transparent sur les parois réfléchissantes du récipient, les chercheurs ont pu modifier la façon dont ils réfléchissaient la lumière afin qu’elle se condense efficacement dans une seule dimension, ou une ligne.
« Ces polymères agissent comme une sorte de gouttière, mais dans ce cas pour la lumière », explique l’auteur principal Kirankumar Karkihalli Umesh« Plus cette gouttière est étroite, plus le gaz se comporte de manière unidimensionnelle », a déclaré dans le communiqué un doctorant de l’Université de Bonn.
En étudiant leur gaz de photons 1D nouvellement créé, les chercheurs ont confirmé qu’il se comporte de manière assez différente de sa forme 2D. Contrairement aux gaz de photons 2D, les fluctuations thermiques de leurs cousins 1D les empêchent de se condenser complètement dans certaines régions. Cela crée une transition de phase partielle entre la lumière laser et sa forme condensée qui est « étalée » sur le gaz, comme de l’eau glacée qui n’a pas complètement gelé, selon les chercheurs.
L’étude de la manière dont le gaz de photons diffère selon les dimensions pourrait aider les chercheurs à découvrir des effets optiques quantiques encore inconnus, ont déclaré les chercheurs.
