Répulsion entre particules de lumière

Conversion en polaritons

"Les photons à forte interaction sont un peu le Saint Graal de notre discipline, la photonique", explique Aymeric Delteil, post-doctorant dans le laboratoire d'Imamo?lu. Pour que les particules de lumière se repoussent mutuellement, lui et ses collègues doivent toutefois faire quelques efforts. Au moyen d'une fibre optique, ils dirigent de courtes impulsions laser dans un résonateur optique, dans lequel la lumière est fortement concentrée sur un matériau semi-conducteur. Ce matériau (fabriqué par les collègues d'Imamo?lu à Würzburg et à St. Andrew's en ?cosse) est refroidi à moins 269 degrés Celsius dans un cryostat - un réfrigérateur extrêmement performant. ? ces basses températures, les photons peuvent s'unir aux excitations électroniques du matériau. Cette union donne alors naissance à ce que l'on appelle des polaritons. ? l'autre extrémité du matériau, ces derniers redeviennent des photons qui quittent le résonateur.

Comme des forces électromagnétiques agissent entre les excitations électroniques, une interaction se produit également entre les polaritons. "Nous avions déjà pu démontrer ce phénomène auparavant", explique Imamo?lu. "Toutefois, à l'époque, l'effet était encore si faible que seules les interactions de nombreux polaritons jouaient un r?le, et non la répulsion par paires entre deux polaritons individuels".

Les corrélations signalent l'interaction

Dans leur nouvelle expérience, les chercheurs ont maintenant pu démontrer que des polaritons individuels - et donc indirectement les photons qu'ils contiennent - interagissent effectivement entre eux. Cela se voit à la manière dont les photons qui ressortent du résonateur sont corrélés entre eux. Pour déterminer cette corrélation quantique, on mesure la probabilité qu'un deuxième photon sorte du résonateur à une courte distance du premier. Si les photons se gênent mutuellement par leurs polaritons dans le semi-conducteur, cette probabilité est plus faible que ce que l'on attendrait de photons n'interagissant pas entre eux.

Dans les cas extrêmes, il devrait même y avoir un "blocage des photons", un effet postulé par Imamo?lu il y a 20 ans déjà : Un photon dans le matériau semi-conducteur, qui a formé un polariton, empêche complètement un autre photon de pénétrer dans le matériau et de devenir lui aussi un polariton. "Nous en sommes encore loin, reconna?t Imamo?lu, mais entre-temps, nous avons encore amélioré le résultat que nous venons de publier. L'objectif à long terme d'Imamo?lu est de faire en sorte que les photons interagissent si fortement qu'ils se comportent comme des fermions, c'est-à-dire comme des particules quantiques qui ne peuvent jamais rester au même endroit.

Intérêt pour les polaritons à forte interaction

Dans un premier temps, il ne s'agit pas pour Imamo?lu d'applications. "C'est vraiment de la recherche fondamentale", dit-il. "Mais nous espérons un jour créer des polaritons à l'interaction si forte que nous pourrons étudier sur eux de nouveaux effets de physique quantique qui sont autrement difficiles à observer". Le physicien s'intéresse notamment aux situations dans lesquelles les polaritons sont en outre en contact avec leur environnement et échangent de l'énergie avec lui. Cet échange d'énergie, associé aux fortes interactions des polaritons, devrait, selon les calculs des physiciens théoriques, conduire à des phénomènes qui ne peuvent être expliqués jusqu'à présent qu'en partie. Des expériences telles que celles menées par Imamo?lu pourraient donc aider à mieux comprendre les modèles théoriques.