Des états exotiques de la lumière et de la matière

Les composants avec lesquels le groupe du professeur de l'ETH Atac Imamoglu expérimente en collaboration avec Werner Wegscheider du Laboratoire de physique des solides mesurent environ un centimètre de large, mais seulement un demi-millimètre d'épaisseur. La partie qui intéresse vraiment les chercheurs est encore plus fine, elle ne mesure que 10 milliardièmes de mètre : Entre de minuscules miroirs se trouve une couche spéciale de matériau semi-conducteur, l'arséniure de gallium, qui a été préparée de manière à ce que les électrons ne puissent s'y déplacer que dans deux dimensions, comme un gaz d'électrons dit bidimensionnel. "Nous réunissons ainsi deux domaines de recherche qui n'ont été étudiés que séparément jusqu'à présent", explique Imamoglu, directeur de l'Institut de photonique quantique de l'ETH.

Les miroirs forment un micro-résonateur dans lequel sont piégés des photons d'une longueur d'onde donnée. De telles cages de lumière sont utilisées en optique quantique. En revanche, à l'aide de gaz d'électrons bidimensionnels, les physiciens de l'état solide étudient des états exotiques de la matière. "En bref, nous avons utilisé des techniques issues de l'optique quantique pour étudier des systèmes solides qui interagissent fortement entre eux", résume Imamoglu.

Dans les expériences d'optique quantique menées jusqu'à présent, les physiciens ont utilisé des semi-conducteurs purs dans lesquels l'excitation produit des sortes de quasi-particules appelées excitons. Dans un micro-résonateur, ces excitons forment, par leur forte interaction avec les photons, de nouvelles quasi-particules qui sont un mélange de matière et de lumière - appelées polaritons. "Au lieu du semi-conducteur pur, nous avons maintenant pris notre gaz électronique bidimensionnel", explique Imamoglu. Contrairement au semi-conducteur tridimensionnel traditionnel, les électrons du gaz bidimensionnel ne possèdent pas seulement une grande mobilité, mais interagissent également entre eux, c'est-à-dire qu'ils sont fortement corrélés.

Des superpositions comme le chat de Schr?dinger

? des températures très basses, à seulement 0,2 degré au-dessus du zéro absolu, les chercheurs ont observé à l'aide d'un microscope ce qui se passait avec les polaritons bidimensionnels et le gaz d'électrons fortement corrélé dans leur échantillon. Les physiciens sont ainsi tombés sur des résultats surprenants, qui viennent d'être publiés en ligne dans la revue spécialisée "Science". Les excitations élémentaires du système sont des superpositions de deux états à plusieurs particules qui sont très différents, de sorte qu'ils s'excluent en fait mutuellement, un peu comme la célèbre expérience de pensée paradoxale du physicien Erwin Schr?dinger autour d'un chat.

Jusqu'à présent, aucun modèle théorique ne peut expliquer ces états multiparticules nouvellement observés dans l'échantillon étudié. Mais il existe une possibilité d'application très intéressante pour de tels états de superposition, explique Imamoglu. Alors que les photons ne s'influencent normalement pas les uns les autres, ils peuvent, dans le dispositif expérimental choisi, interagir fortement les uns avec les autres dans certaines conditions. "C'est le Saint Graal de la recherche en optique quantique", poursuit le professeur de l'ETH. Cela permettrait peut-être un jour de développer un ordinateur quantique qui ne serait pas construit sur des qubits à base de spin ou supraconducteurs, mais sur des photons en interaction. "Mais ce domaine de recherche n'en est encore qu'à ses débuts", explique Imamoglu.

Le travail a été réalisé dans le cadre du P?le de recherche national QSIT.