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Pour la première fois, des physiciens ont réussi à créer un gaz unidimensionnel composé uniquement de lumière, dans le but d’explorer le comportement des photons, ces particules de lumière, à un niveau quantique.
Ce nouvel état de la matière, désigné sous le nom de gaz de photons, a été obtenu en dirigeant un laser vers un conteneur réfléchissant rempli de colorant, ce qui a entraîné le refroidissement et la condensation des photons présents dans le faisceau. Les résultats de cette recherche ont été publiés le 6 septembre dans la revue Nature Physics.
« Pour générer ces types de gaz, il est nécessaire de concentrer un grand nombre de photons dans un espace confiné tout en les refroidissant simultanément, » a déclaré Frank Vewinger, physicien à l’Université de Bonn et auteur principal de l’étude, dans un communiqué.
Les photons, qui sont des bosons, possèdent un spin entier, ce qui leur permet d’occuper le même état et le même espace à un moment donné. Lorsque le gaz de bosons est refroidi à des températures proches du zéro absolu, toutes les particules perdent leur énergie et se retrouvent dans des états d’énergie identiques.
Étant donné que nous ne pouvons distinguer les particules identiques dans un nuage de gaz qu’en observant leurs niveaux d’énergie, cette égalisation a un impact significatif : le nuage de particules vibrantes, en mouvement et en collision qui compose un gaz plus chaud devient, d’un point de vue mécanique quantique, parfaitement identique, formant ainsi une matière insaisissable connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein.
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Dans un état de condensat, la position des particules dans un gaz devient très incertaine. Par conséquent, les zones que chaque particule pourrait potentiellement occuper s’étendent au-delà des espaces entre les particules elles-mêmes. Ainsi, les photons qui se chevauchent dans un gaz de photons se comportent comme une seule grande particule.
Les physiciens avaient déjà créé des gaz de photons en deux dimensions, mais la réalisation d’un gaz unidimensionnel s’avère beaucoup plus complexe.
« La création d’un gaz unidimensionnel présente des différences notables par rapport à un gaz bidimensionnel, » a expliqué Vewinger. « Des fluctuations thermiques se produisent dans les gaz de photons, mais elles sont si faibles en deux dimensions qu’elles n’ont pas d’impact réel. En revanche, en une dimension, ces fluctuations peuvent, pour ainsi dire, provoquer de grandes vagues. »
Pour obtenir un gaz de photons unidimensionnel, les chercheurs ont rempli un petit conteneur réfléchissant d’une solution de colorant avant de diriger un laser vers celui-ci. Les photons du faisceau laser rebondissaient à l’intérieur du conteneur jusqu’à ce qu’ils entrent en collision avec les molécules de colorant, ce qui leur a fait perdre de l’énergie et les a amenés à se regrouper.
En appliquant un polymère transparent sur les parois réfléchissantes du conteneur, les chercheurs ont pu ajuster la manière dont la lumière était réfléchie, permettant ainsi une condensation efficace en une dimension, c’est-à-dire en ligne.
« Ces polymères fonctionnent comme une sorte de gouttière, mais pour la lumière, » a précisé Kirankumar Karkihalli Umesh, doctorant à l’Université de Bonn et auteur principal de l’étude. « Plus cette gouttière est étroite, plus le gaz se comporte de manière unidimensionnelle. »
En étudiant leur gaz de photons unidimensionnel nouvellement créé, les chercheurs ont confirmé qu’il se comporte de manière très différente de son homologue en deux dimensions. Contrairement aux gaz de photons en 2D, les fluctuations thermiques de leurs homologues en 1D les empêchent de se condenser complètement dans certaines zones. Cela engendre une transition de phase partielle entre la lumière laser et sa forme condensée, qui est « étalée » à travers le gaz, semblable à de l’eau glacée qui n’a pas complètement gelé, selon les chercheurs.
Explorer les différences de comportement des gaz de photons selon les dimensions pourrait permettre aux chercheurs de découvrir des effets optiques quantiques encore inconnus.
