Un phénomène récemment découvert appelé transparence induite collectivement (CIT) fait que des groupes d’atomes cessent soudainement de réfléchir la lumière à certaines fréquences.

Le CIT a été découvert en confinant des atomes d’ytterbium à l’intérieur d’une photocavité – essentiellement une petite boîte de lumière – et en les faisant exploser avec un laser. Bien que la lumière laser rebondisse sur les atomes jusqu’à un certain point, lorsque la fréquence de la lumière est réglée, une fenêtre transparente apparaît dans laquelle la lumière passe simplement à travers la cavité sans être obstruée.

dit Andrei Faraon (BS ’04) du California Institute of Technology (BS ’04), professeur William L. Valentine de physique appliquée et de génie électrique et co-auteur d’un article sur la découverte publié le 26 avril dans la revue nature. « Notre recherche est devenue principalement un voyage pour découvrir pourquoi. »

L’analyse de la transparence de la fenêtre indique qu’elle est le résultat d’interactions dans la cavité entre des groupes d’atomes et la lumière. Ce phénomène est similaire à l’interférence destructive, dans laquelle les ondes provenant de deux ou plusieurs sources peuvent s’annuler. Des grappes d’atomes absorbent et réémettent constamment de la lumière, ce qui entraîne généralement une réflexion de la lumière laser. Cependant, à la fréquence CIT, il existe un équilibre provoqué par la réémission de la lumière de chaque atome d’un ensemble, ce qui entraîne une diminution de la réflectance.

« Un groupe d’atomes fortement couplés au même champ optique peut conduire à des résultats inattendus », explique le co-auteur principal Mei Li, étudiant diplômé à Caltech.

Le résonateur optique, qui ne mesure que 20 μm de long et comprend des caractéristiques inférieures à 1 μm, a été fabriqué à l’Institut Kavli pour les nanosciences à Caltech.

« Grâce aux techniques de mesure traditionnelles de l’optique quantique, nous avons découvert que notre système avait atteint un régime inexploré, révélant une nouvelle physique », déclare l’étudiant diplômé Rikuto Fukumori, co-auteur principal de l’article.

Outre le phénomène de transparence, les chercheurs notent également qu’un groupe d’atomes peut absorber et émettre la lumière d’un laser beaucoup plus rapidement ou beaucoup plus lentement par rapport à un seul atome en fonction de l’intensité du laser. Ces processus, appelés superradiation et subduction, et leur physique sous-jacente sont encore mal compris en raison du grand nombre de particules quantiques en interaction.

« Nous avons pu observer et contrôler les interactions mécaniques quantiques entre la lumière et la matière à l’échelle nanométrique », déclare le co-auteur Joonhee Choi, ancien chercheur postdoctoral à Caltech et maintenant professeur adjoint à Stanford.

Bien que la recherche soit principalement fondamentale et élargisse notre compréhension du monde mystérieux des effets quantiques, cette découverte a le potentiel d’aider un jour à ouvrir la voie à des mémoires quantiques plus efficaces où les informations sont stockées dans un réseau d’atomes hautement couplés. Farron a également travaillé pour créer un stockage quantique en manipulant les interactions de plusieurs atomes de vanadium.

« Outre les mémoires, ces systèmes expérimentaux fournissent des informations importantes sur le développement des communications futures entre les ordinateurs quantiques », déclare Manuel Endres, professeur de physique et chercheur Rosenberg, co-auteur de l’étude.