Expériences avec le Photon |
Ils ont créé une Molécule avec 2 Photons |
Les particules de lumière, les photons, se croisent sans jamais interagir. Mikhael Lukin (Havard) et Vladan Vuletic (MIT) ont obligé deux photons à interagir si intensément qu'ils en ont formé une molécule, un peu comme 2 atomes d'hydrogène penvent former une molécule de dihydrogène.
"La possibilité existait sur le papier, rapporte Vladan Vuletic. Mais personne n'avait la moindre idée du milieu où réaliser pareil assemblage". Les expérimentateurs ont expédié deux photons, à la longueur d'onde bien choisie, au sein d'un gaz d'atomes de rubidium refroidis à quelques degrés du zéro absolu (-273,15°C). Converti partiellement en une excitation atomique, le premier photon modifie les propriétés optiques du gaz derrière lui. Avec pour conséquence d'obliger le second photon, demeuré une authentique particule, à voyager au plus proche de lui. "Ainsi, les deux photons interagissent intensément au point de former un état lié semblable à une molécule, explique le physicien. Nous essayons de créer des molécules avec trois photons. En principe, des molécules constituées de nombreux photons devraient exister". De quoi, peut-être, envisager une chimie de la lumière !
M.G. - SCIENCE & VIE N°1155 > Décembre > 2013 |
Ils ont mis au Point un "Laser... Mieux que le Laser" |
C'est à l'université de Bonn que l'équipe de Martin Weitz a réussi à concentrer des particules de lumière, jusqu'à former un "super-photon". Une nouvelle source de lumière sculpteur a peut-être les circuits électroniques du futur...
Actuellement, ce sont des lasers qui taillent le silicium pour faççonner les puces, leur finesse dépendant de la petitesse de la longueur d'onde du laser. Or, "on ne sait pas fabriquer de lasers qui produisent de courtes longueurs d'onde, comme des ultraviolets par exemple, explique Martin Weitz. Notre dispositif pourrait en revanche émettre dans n'importe quel domaine est donc graver des circuits plus performants !" Martin Weitz et son équipe ont en effet carrément inventé une toute nouvelle source de lumière grâce à un "condensat de Bose-Einstein". Derrière ce nom pompeux se cache un état de la matière bien connu : lorsque des atomes sont refroidis et concentrés, ils se lient les uns aux autres jusqu'à se comporter comme un seul gros atome. Sauf qu'ici, pour la première fois, ce sont des particules de lumière que les physiciens allemands ont réussie à concentrer. "On pensait que c'était impossible, car les photons ont tendance à disparaître dès qu'on essaie de refroidir le milieu dans lequel ils sont plongés", précise Martin Weitz. Mais les chercheurs sont parvenus à les piéger dans une minuscule cavité remplie d'un liquide coloré dont ils ont abaissé peu à peu la température. Ils se sont alors condensés jusqu'à former un "super-photon". Un laser, mais en mieux est né.
M.F. - SCIENCE & VIE > Mars > 2011 |
Le Photon Pris au Piège |
Selon la mesure qu'on en fait, il change de caractère : à peine vu, il disparaît. Pourtant, des physiciens ont réussi à le coincer.
La collision entre un proton et un photon (centre droit de l'image) vue dans une "chambre à bulle", l'ancêtre des détecteurs actuels : au passage de chaque particule créée lors de cette collision, il se forme un chapelet de bulles qui dessinent des lignes (en bas de l'image) plus ou moins incurvées en fonction de la masse et de la charge de la particule.
"La vision du photon comme un petit grain de lumière est bien commode - cela évite de se poser des questions métaphysiques lorsqu'on allume la lumière -, mais c'est une description très imparfaite", sourit Jean-Michel Raimond, spécialiste du sujet à l'Ecole normale supérieure (ENS) à Paris. Mais si un photon n'est pas seulement une particule élémentaire de lumière, qu'est-ce alors ? "Une excitation quantique élémentaire d'une onde classique", répond le chercheur. Voilà qui ne nous avance guère, mais souligne tout de même le fait que la lumière s'échange sous forme de "paquets d'énergie", qu'elle est quantifiée. Le plus simple est sans doute de la considérer tantôt comme une onde électromagnétique, tantôt comme une particule, selon la manière dont on la regarde.
L'une des illustrations les plus troublantes de cette dualité a été mise en évidence en 2007 par l'équipe de Jean-François Roch, à l'ENS Cachan. Les chercheurs ont montré que le caractère du photon dépend de la mesure effectuée. À la question : "Es-tu une onde ?", il acquiesce. Mais si on lui demande : "Es-tu une particule ?", sa réponse est également oui. Un comportement bien différent de celui de notre monde classique, où une chaise ne change pas de nature lorsqu'on la regarde... "Dès lors, évoquer la taille du photon n'a pas de sens, poursuit Jean-Michel Raimond. On ne peut en parler que dans les termes de la manip qui sert à le détecter. Si l'on repère un photon par ionisation d'un atome, le photon se localise sur l'atome. Et si on le repère avec une caméra numérique, il se localise sur les quelques micromètres qui correspondent à la taille du pixel standard du capteur CCD". Autrement dit, comme toute particule quantique, un photon est partout à la fois avant d'être détecté, puis il apparaît dans un capteur et n'est plus qu'à un endroit. Si le photon est une star de la physique, c'est qu'il est un formidable vecteur d'information. Presque toutes les données que les scientifiques ont obtenues sur les objets cosmiques proviennent de la lumière qu'ils émettent, et donc des photons. À l'heure de la fibre optique, les communications internet sont à un moment ou à un autre transformées en lumière. Plus prosaïquement, les photons sont des milliards à terminer continuellement leur course sur notre rétine, sorte de détecteur quantique, nous fournissant les informations indispensables à l'appréhension de notre environnement.
VERS L'ORDINATEUR QUANTIQUE
Lorsqu'il est détecté, le photon disparait, absorbé par un atome dont il altère l'énergie. Cette altération nous informe sur sa propre énergie, ce qui revient à connaitre sa couleur. Car la différence d'énergie entre deux niveaux atomiques correspond à une longueur d'onde et donc à une couleur : bleu ou rouge pour des photons dans le domaine visible, ultraviolet, X ou micro-onde pour d'autres parties du spectre de la lumière. Un photon ne peut donc être détecté qu'une seule fois en révélant l'information qu'il contient. Cette destruction n'est pourtant pas inéluctable, ainsi que l'a montré l'équipe de Serge Haroche et Jean-Michel Raimond à l'ENS. Ils ont pu en piéger un dans une boîte suffisamment longtemps (plus d'un dixième de seconde) pour constater à plusieurs reprises sa présence avant qu'il ne soit absorbé par un atome des parois de la cavité. Reprenant cette expérience avec un mélange de plusieurs photons, ils ont pu voir comment ce mélange voit son caractère quantique perturbé par interaction avec son environnement, lorsque les photons "cognent" les parois de la cavité par exemple. Le but est maintenant de parvenir à corriger cette "décohérence", ce qui est indispensable pour fabriquer des dispositifs plus efficaces utilisant des états quantiques comme élément de base du calcul. Par exemple, un ordinateur quantique qui pourrait factoriser de très grands nombres en une poignée de secondes.
PHILIPPE PAJOT - SCIENCES ET AVENIR HS > Mai > 2010 |
Comment expliquer que les Particules de Lumière Rebondissent sur un Miroir ? |
Un phénomène paradoxal, en effet, quand on sait qu'à peine un photon a-t-il frappé un objet qu'il disparaît instantanément, en cédant à la matière toute son énergie. Et pourtant, quand cette insaisissable particule rencontre un miroir, elle semble rebondir. Sauf que ce n'est là qu'une apparence ! Car un photon ne rebondit pas à proprement parler : il est absorbé par un atome du miroir, qui va réémettre un autre grain de lumière quasi simultanément. Ce n'est donc pas le même photon qui paraît se réfléchir !
Pour comprendre, il faut savoir que lorsque lumière et matière se rencontrent, deux modes d'interaction entrent en compétition dans le matériau : l'absorption et la diffusion. Et la réflexion n'est qu'une interprétation macroscopique de cette dernière. Pour qu'il y ait absorption d'un photon, son énergie doit correspondre exactement à la fréquence de ce qu'on appelle la résonance de l'atome. En clair : ce dernier exploite cette énergie pour faire passer un de ses électrons de l'état fondamental à un état excité. Oui, mais l'atome cherche aussitôt à retourner dans son état le plus stable, souvent en dissipant ce trop plein d'énergie dans le matériau sous forme de chaleur, qui n'est autre que le rayonnement lumineux. C'est ainsi que l'absorption donne la couleur aux objets. En effet, la lumière blanche du soleil contient toutes les couleurs visibles ; lorsqu'elle tombe sur une pomme, par exemple, celle-ci absorbe toute la lumière bleue, ainsi que du vert et du jaune, mais le reste, c'est-à-dire le rouge, est renvoyé vers notre oil. La pomme nous paraît donc rouge. Les objets réfléchissants, eux, n'absorbent aucune couleur particulière. Mettez au soleil une pomme et un miroir : la première chauffe beaucoup plus que le second, parce que le miroir est recouvert d'une fine couche d'argent qui, comme tous les métaux, n'absorbe pas la lumière.
LE NUAGE D'ELECTRONS OSCILLE
Pourtant, cela n'empêche pas les objets réfléchissants d'interagir. De fait, l'arrivée des photons met en oscillations forcées le nuage électronique des atomes métalliques. Lesquels, en réponse, émettent instantanément chacun un nouveau photon, de même énergie que celui qu'ils ont reçu, mais dans une direction aléatoire. Ce phénomène semble continu car ce sont des milliards de photons qui frappent l'objet à chaque instant. Au final, tout se passe comme si l'atome émettait des photons tout autour de lui, créant une onde sphérique, comme un caillou jeté dans l'eau. Or, si le milieu est assez dense, les différents atomes seront si proches que ces ondelettes vont interférer. Elles pourront donc, par définition, soit s'ajouter, soit s'annihiler. Concrètement, à la surface d'un matériau réfléchissant, elles s'annulent dans toutes les directions, excepté celle qui correspond à la réflexion. Si la surface est assez lisse, toutes les ondelettes sont même réfléchies de manière à ce que l'angle d'incidence soit égal à l'angle réfléchi. On retrouve ainsi à l'échelle microscopique la première loi de la réflexion en optique géométrique ! Il suffit donc de polir une pierre ou une pomme pour y distinguer son propre reflet. Les photons "rebondissent" d'autant mieux que les atomes de la surface qu'ils rencontrent sont bien ordonnés et forment un matériau conducteur. Ils diffusent alors la totalité de la lumière, sans absorber et dissiper en chaleur le moindre photon.
B.R. - SCIENCE & VIE > Avril > 2008 |
Est-il possible qu'un Photon fasse de l'Ombre à un Autre Photon ? |
Rappelons tout d'abord qu'une ombre est une zone créée par un corps opaque qui intercepte les rayons d'une source lumineuse. Cette question revient donc à savoir si un photon pourrait intercepter un autre photon. Eh bien... ça dépend !
Si l'on s'en tient aux lois de l'électromagnétisme classique, la réponse est non. Parce que, dans ce cas, les photons sont des particules de lumière qui, si elles viennent à se croiser, ne se "voient" pas. Pour une bonne raison : les photons sont les vecteurs de l'interaction électromagnétique, une force qui agit sur les particules chargées ; or, un photon est neutre. Insensible à l'interaction électromagnétique, il ne peut donc interagir avec un congénère. Ainsi, il ne lui fait pas d'ombre.
Oui, mais le photon est particulier : s'il est une particule de lumière, il est aussi une onde électromagnétique. Une nature ondulatoire qu'une expérience, dite d'interférences, met en évidence et au cours de laquelle des photons créent... de l'ombre. Prenons un cas simple d'interférences : celui des vagues à la surface de l'eau. Imaginons que deux séries d'ondes soient engendrées par deux impacts à la surface d'une eau calme. Chacune d'elles est une succession de zones où la hauteur d'eau est soit plus élevée que le niveau moyen, soit plus basse. Que se passe-t-il lorsque les deux ondes se croisent ? Les creux et les bosses s'additionnent par endroits" créant des zones où le niveau d'eau augmente encore - on parle dans ce cas d'interférences "constructives" - et d'autres, où les creux et les bossent se compensent et où le niveau d'eau redevient nul - interférences "destructives". La recette est à la même pour la lumière, à condition de remplacer le champ de déformation de la surface de l'eau par des champs électromagnétiques. Certaines zones d'interférences constructives seront d'une brillance renforcée, tandis que d'autres zones, d'interférences destructives, seront sombres.
Reste que deux rayons de lumière issus d'ampoules, par exemple, auront toutes les peines du monde à interférer car ces sources émettent des ondes lumineuses de façon désordonnée. Résultat : vous n'avez aucune chance d'obtenir une zone fixe dans l'espace où les champs électromagnétiques des deux ondes s'annulent durablement, engendrant une ombre. Seule solution pour y arriver : dédoubler un unique rayon lumineux et le recombiner après lui avoir fait emprunter deux chemins différents. Les deux rayons peuvent alors se recombiner de telle manière que les "bosses" de champ électromagnétique de l'un se superposent avec les creux de l'autre, créant ainsi une zone sombre.
UN PAS DANS LE QUANTIQUE
Pour ajouter à cette réponse de Normand, précisons que ce qui vient d'être dit convient à des photons "classiques", peu énergétiques. Or, les photons peuvent stocker une énergie considérable, dépassant le cadre de la physique classique. Dans ce cas, on entre dans le domaine de l'électrodynamique quantique. Cette théorie, développée par l'Américain Richard Feynman dans les années 50, prévoit que deux particules peuvent, si leur énergie le permet, engendrer d'autres particules lorsqu'elles s'entrechoquent. Ainsi, si deux photons totalisent assez d'énergie, leur interaction laissera des traces : la lumière se sera transformée en matière ! Nécessitant des photons gamma d'une énergie phénoménale, une telle situation n'a été créée pour la première fois que dans les années 90, dans l'accélérateur géant de l'université de Stanford. Et pour coller à cette question, pas de doute que dans ces conditions, deux photons se font de l'ombre.
M.G. - SCIENCE & VIE > Juillet > 2007 |