📰 Quand la lumière cohérente révèle un comportement universel


Crédit : C2N (CNRS / Université Paris-Saclay)

Dans un condensat de Bose-Einstein constitué d’excitations quantiques couplant photons et excitations électroniques, les scientifiques ont trouvé la signature d’un la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la…) universelle décrivant la croissance des interfaces en physique classique.

Parmi les sciences expérimentales, la physique est sans doute celle qui rechercher (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue…) le plus systématiquement à réunir sous des descriptions unificatrices la diversité que les phénomènes présentés en apparence. Cette recherche d’universalité est notamment constamente à l’oeuvre en statistiques de physique (La physique statistique a pour mais d’explicar le comportement et l’évolution de systèmes…) où dans bien des cas, les propriétés macroscopiques qui émergent d’un système constituent d’un très grand Numéro (La notion de nom en linguistique est traitée dans l’article « Nom…) de particules ou de sous-systèmes microscopiques sont finalement assez peu dépendantes de la nature précisée de ces constituants. Ainsi, les transitions bien connues de cristallisation ou de vaporisation d’un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est…) ont-elles des caractéristiques totalement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou…) indépendante de la nature moléculaire du liquide considéré.

Un autre exemple plus complexe est fourni (Les Fournoi Korséon (grec : Φούρνοι…) par les phénomènes de croissance, comme le donner (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d’eau surfondue (= en surfussion) sur une…) qui se dépose sur une fenetre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan…) ou la ligne d’horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l’on peut observer, du fait de sa propre…) dune ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour…) moderne soumise aux contraintes de construction. Al’inverse (En mathématiques, l’inverse d’un élément x d’un ensemble muni d’une loi de…) des transitions de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et…)il s’agit en effet d’un effet hors équilibre où la la taille (La hauteur à plusieurs significations suivant le domaine supprimé.) du front en croissance h(x,t) depend non seulement de l’espace (un front de croissance est toujours étalé spatialement), mais également du temps (Le temps est un concept développement par l’être humain pour appréhender le…). En 1986, les physiciens Kardar, Parisi et Zhang ont montré que dans un très grand nombre de cas, l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface…) en développement développe des propriétés aux grandes échelles spatio-temporelles indépendantes des détails précis des interactions locales, décrites par une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement…) appelé depuis “KPZ”. Mathématiquement, cette universalité s’incarne dans le fait que certaines grandeurs physiques particulières, appelées “exposants critiques dynamiques”, ne dépendent que de la dimensionnalité de l’interface considérée.

Une équipe internationale de chercheurs et chercheuses a démontré expérimentalement que la classe d’universalité KPZ se retrouve également dans les systèmes photoniques, un effet prédit théoriquement en 2015.C2N, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand…) / Université (Une université est un établissement d’enseignement supérieur dont l’objectif est la…) Paris-Saclay) ont permis de sculpter des réseaux de microcavités optiques dans des matériaux (Un matériel est une matière d’origine naturelle ou artificialille que l’homme façonne pour en…) semi-conducteurs (voir Fig.a, vignette du bus).

La lumière (La lumière est l’ensemble des ondes électromagnétiques visible par l’œil…) piégée dans les cavités se couple à des excitations électroniques pour former des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de cavité. Ces polaritons peuvent s’accumuler massivement dans un même état quantique (En mécanique quantique, l’état d’un système décrit tous les aspects du système physique. Il…) et ancien un état collectif cohérent appelé Condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une…) (voir Fig.a, vignette du haut).

Une ONU instantané (L’instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L’instant nest pas…) étant donné, la phase du condensat dépend de la position et définit ce que l’on appelle un front d’ondes (Une onde est la propagation d’une perturbation produit sur son passage une variation…). Celui-ci évolue au cours du temps d’une manière similaire à celle d’une interface (voir Fig.b). L’équipe du C2N a générative des condensats de polaritons unidimensionnels et a sondé, par des expériences d’interférométrie (L’interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre…) optique (L’optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement…), la cohérence de l’émission en fonction de l’espace et du temps. Parallèlement, des simulations numériques ont été réalisées en collaboration avec le Laboratoire de Physique & Modélisation des Milieux Condensés (LPMMC, CNRS / Université Grenoble Alpes) à Grenoble. Elles ont reproduit très finement les résultats de l’expérience, et ont confirmé que la physique sous-jacente relève bien de la classe d’universalité KPZ en 1D (voir Fig.c).

De plus, ils ont donné accès à une compréhension profonde de ce nouveau système, qui diffère de certains aspects de la phénoménologie habituelle des fronts de croissance. En effet, comme la variables (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle…) décrire ici l’interface est un angles (En géométrie, la notion générale d’angle se décline en plusieurs concepts…), définie périodiquement entre 0 et 2π, l’interface peut s’enrouler sur elle-même et former des excitations localisées. Ce type de défauts dits “topologiques” peut potentiellement détruire la signature traditionnelle de l’universalité du modèle KPZ. Des simulations numériques ont cependant prouvé que dans le régime où opèrent les expériences, les corrélations KPZ sont résilientes à l’apparition de tourbillons, car ceux-ci apparaissent et disparaissent en petit nombre et surtout dans des couples de tourbillons de tourbillons opposés.

Des scientifiques du laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (MPQCNRS / Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région…) Cité), du laboratoire Physique des lasers atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l’on ne peut…) et molécules (PHLAMCNRS / Université de Lille) et de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C’est…) Néel (NEELCNRS) ont aussi partie à cette étude publiée dans la revue La nature.

Ce travail ouvre un nouveau champion (Un champ correspond à une notion d’espace définie 🙂 ré’exploration (L’exploration est le fait de chercher avec l’intention de découvrir quelque chose d’inconnu.) de la physique KPZ dans les systèmes quantiques et du riche diagramme de phase (Un diagramme de phase est une représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir…) des condensats de Bose-Einstein. Cette physique très générale s’applique à tous les condensats ouverts, c’est-à-dire pour léchenes des particules entrent et sort continuellement du système. Les lasers font partie de cette classe de systèmes et cette étude pourra s’avérer déterminante pour l’optimisation des lasers étendus à l’état solide. Enfin tous les ingrédients sont réunis pour sonder pour la première fois de façon expérimental (En art, il s’agit d’approches de création basées sur une remise en question des dogmes…) les corrélations KPZ dans un système bidimensionnel. Ce défi expérimental va être tenté très près dans les condensats de polaritons bidimensionnels que le C2N sait réaliser.


Figure a : La vignette du bas montre une image en microscopie électronique à balayage d’un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d’équipements reliés entre eux pour échanger des…) 1D de microcavités à polaritons fabriquées au C2N pour réaliser ces expériences. Un site réseau est représenté schématiquement à droite et montre deux miroirs et une cavité. La vignette du haut montre la mesure expérimentale de la distribution d’intensité lumineuse émise par le condensat. Les trois familles de pics correspondant aux trois sites A, B et C du réseau représenté sur la vignette du bus.

Figure b : Calcul numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information…) de la phase d’un condensat 1D de polaritons à différents instants. Cette phase correspond dans l’expérience à la phase du condensat au niveau du pic d’intensité sur les sites C. L’évolution temporelle de la phase est analogique à la croissance d’une interface.

Figure c : Dans un système de coordonnées redimensionnées bien choisies, les points mesurés expérimentalement et calculés numériquement pour la cohérence du condensat (disques de Couleur (La couleur est la perception subjective qu’a l’œil d’une ou plusieurs fréquences d’ondes…) orangee) s’alignent parfaitement sur la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du…) universelle de KPZ (courbe noire).

Crédit : C2N (CNRS / Université Paris-Saclay) et LPMMC (CNRS / Université Grenobles Alpes)

Références:

L’universalité Kardar-Parisi-Zhang dans une dimension unidimensionnelle polariton (Les polaritons sont des quasiparticules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une…) condensat,
Fontaine, Q., Squizzato, D., Baboux, F. et coll., La natureParu le 24 août 2022.
EST CE QUE JE: 10.1038/s41586-022-05001-8

Archives ouvertes arXiv

Contacts:
– Jacqueline Bloch – Directrice de recherche CNRS au C2N – [email protected]
Communication (La communication concerne aussi bien l’homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,…) INP – [email protected]

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