Des chercheurs de Birmingham ont créé la première image d’un photon, une particule de lumière en forme de citron émise par la surface d’une nanoparticule. La théorie qui a rendu cette image possible, rapportée le 14 novembre dans la revue Lettres d’examen physiquepermet aux scientifiques de calculer et de comprendre diverses propriétés de ces particules quantiques, ce qui pourrait ouvrir une gamme de nouvelles possibilités dans des domaines tels que informatique quantiqueles appareils photovoltaïques et la photosynthèse artificielle.
Le comportement quantique de la lumière est bien établi, avec plus de 100 ans d’expériences le montrant peut exister sous forme d’onde et de particule. Mais notre compréhension fondamentale de cette nature quantique est bien plus en retard, et nous n’avons qu’une compréhension limitée de la façon dont les photons sont créés et émis, ou de la façon dont ils évoluent dans l’espace et le temps.
« Nous voulons être capables de comprendre ces processus pour exploiter cet aspect quantique », premier auteur Ben Yuenchercheur à l’Université de Birmingham au Royaume-Uni, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « Comment la lumière et la matière interagissent-elles réellement à ce niveau ? »
Cependant, la nature même de la lumière signifie que la réponse à cette question offre des possibilités presque illimitées. « Nous pouvons considérer un photon comme une excitation fondamentale d’un champ électromagnétique », a expliqué Yuen. Ces champs constituent un continuum de fréquences différentes, dont chacune pourrait potentiellement être excitée. « Vous pouvez diviser un continuum en parties plus petites et entre deux points, il existe toujours un nombre infini de points possibles que vous pouvez choisir », a ajouté Yuen.
Le résultat est que les propriétés d’un photon dépendent fortement des propriétés de son environnement, ce qui conduit à des calculs incroyablement complexes. « À première vue, nous devrions écrire et résoudre un nombre infini d’équations pour parvenir à une réponse », a déclaré Yuen.
Pour s’attaquer à cette tâche apparemment impossible, Yuen et co-auteur Angèle Démétriadouprofesseur de nanophotonique théorique à l’Université de Birmingham, a utilisé une astuce mathématique astucieuse pour simplifier considérablement les équations.
L’introduction de nombres imaginaires – des multiples de la racine carrée impossible de -1 – est un outil puissant pour gérer des équations complexes. La manipulation de ces composants imaginaires permet à de nombreux termes difficiles de l’équation de s’annuler. À condition que tous les nombres imaginaires soient reconvertis en nombres réels avant d’atteindre la solution, cela laisse un calcul beaucoup plus gérable.
« Nous avons transformé ce continuum de fréquences réelles en un ensemble discret de fréquences complexes », a expliqué Yuen. « En faisant cela, nous simplifions les équations d’un continuum en un ensemble discret que nous pouvons gérer. Nous pouvons les mettre dans un ordinateur et les résoudre. »
L’équipe a utilisé ces nouveaux calculs pour modéliser les propriétés d’un photon émis depuis la surface d’une nanoparticule, décrivant les interactions avec l’émetteur et la façon dont le photon s’est propagé loin de la source. À partir de ces résultats, l’équipe a généré la première image d’un photon, une particule en forme de citron jamais vue auparavant en physique.
Yuen a toutefois souligné qu’il ne s’agissait que de la forme d’un photon généré dans ces conditions. « La forme change complètement avec l’environnement », a-t-il déclaré. « C’est vraiment l’intérêt de la nanophotonique : en façonnant l’environnement, nous pouvons réellement façonner le photon lui-même. »
Les calculs de l’équipe fournissent un aperçu fondamental des propriétés de cette particule quantique – des connaissances qui, selon Yuen, ouvriront de nouvelles lignes de recherche aux physiciens, aux chimistes et aux biologistes.
« Nous pourrions penser aux dispositifs optoélectroniques, à la photochimie, à la récupération de la lumière et au photovoltaïque, à la compréhension de la photosynthèse, aux biocapteurs et à la communication quantique », a déclaré Yuen. « Et il y aura toute une série d’applications inconnues. En appliquant ce genre de théorie vraiment fondamentale, vous débloquerez de nouvelles possibilités dans d’autres domaines. »
