L'actu des sciences - Janvier 2014

 

La lumière n'interagit pas avec elle-même ; c'est même là l'une de ses propriétés les plus fondamentales. Deux faisceaux lumineux peuvent se traverser l'un l'autre et continuer leur chemin comme si de rien n'était. Si cette absence d'interaction rend impossible le duel au sabre laser [1], elle nous permet au quotidien de voir les objets qui nous entourent. Il semble cependant que ce principe puisse être mis en défaut.

Une longue démarche a été initiée dans les années 1990 pour analyser et manipuler les interactions entre matière et lumière en faisant appel à la mécanique quantique ; cette recherche a déjà permis de ralentir la lumière jusqu'à des vitesses de l'ordre du kilomètre par heure, voire de la piéger pendant plusieurs secondes. Dans la continuité de cette démarche, l'équipe de Vladan Vuletic (MIT) a publié très récemment dans la revue Nature [2] les résultats d'une expérience dans laquelle deux impulsions lumineuses successives semblent s'attirer jusqu'à former un état lié – comme deux atomes peuvent s'attirer pour former une molécule. Indépendamment et simultanément, l'équipe d'Immanuel Bloch (MPQ) à Munich a présenté dans la même revue l'observation d'un comportement en tout point analogue pour des impulsions d'aimantation [3]. Les impulsions, comme les bonnes nouvelles, semblent n'arriver jamais seules.

 

Lorsque Terry Pratchett écrit Le Huitième Sortilège en 1986, il ne se doute sans doute pas que sa description de la lumière rendue paresseuse par le champ magique du Disque-Monde [4] puisse être aussi proche de la réalité. Pourtant, quelques années plus tard, la réalisation expérimentale d'une onde lumineuse ultra lente transforme Pratchett en visionnaire scientifique.

En 1990, Steve Harris, de l'Université de Stanford, découvre un phénomène surprenant : la transparence électromagnétiquement induite [5]. Littéralement, il s'agit de la capacité d'un matériau à devenir transparent pour une onde d'une certaine fréquence lorsqu'il est simultanément soumis à une onde d'une autre fréquence : sa transparence pour la première fréquence est donc induite par l'effet électromagnétique de la seconde. Cet effet surprenant repose sur une interférence destructive entre les différentes voies d'excitation des atomes, qui deviennent virtuellement incapables s'absorber la lumière (voir figure 1). Un faisceau « sonde » normalement absorbé par la matière devient alors capable de la traverser sans perte avec l'aide d'un second faisceau « coupleur ». 

 

Figure 1 : la transparence électromagnétiquement induite. Les traits horizontaux représentent les niveaux d'énergie d'un atome, les flèches représentent l'énergie de la lumière sonde. En l'absence de faisceau coupleur (à gauche), la lumière sonde est à résonance avec une transition atomique si son énergie correspond à l'écart énergétique entre deux niveaux (ici, entre les niveaux 1 et 3). Dans ce cas, l'atome absorbe la lumière pour passer de l'état 1 à l'état 3, puis la réémet aléatoirement en revenant dans l'état initial : on parle de diffusion.

La présence d'un faisceau coupleur (non représenté) décale les niveaux d'énergie des atomes (à droite). Si le faisceau coupleur est convenablement choisi, la lumière sonde est alors aussi proche de la résonance 1→2 que de la résonance 1→3. Dans cette configuration, l'atome ne peut plus absorber la sonde, qui peut donc se propager sans être diffusée par le milieu.

 

La traversée n'est cependant pas sans embûche : en réalité, la lumière est bel et bien régulièrement absorbée, mais elle communique l'ensemble de son identité à l'atome qui l'absorbe : sa direction de propagation, sa phase, sa fréquence, sa cohérence... Lorsque l'atome réémet de la lumière, il lui lègue l'ensemble de ces informations et reproduit donc un rayonnement parfaitement identique au premier. À proprement parler, ce n'est donc pas la lumière envoyée sur l'échantillon qui ressort de l'autre côté de la matière, mais une lumière en tout point identique. Cette succession d'absorption et de réémission ralentit considérablement la propagation de l'onde lumineuse. En 1999, Lene Hau et son équipe sont parvenus à ralentir une impulsion lumineuse jusqu'à 17 mètres par seconde (soit 61 kilomètres par heure) [6], très loin des 300 000 kilomètres par seconde auxquels la lumière est habituée dans le vide. 

Ce résultat n'est en aucune manière en contradiction avec la théorie de la relativité d'Einstein, qui stipule que rien ne peut aller plus vite que la lumière dans le vide. La limite porte donc sur cette vitesse de 300 000 kilomètres par seconde et rien n'interdit de truquer la course en ralentissant la lumière pour pouvoir la rattraper facilement. Dépasser la vitesse de la lumière devient alors simplement analogue au dépassement de la vitesse son et s'accompagne d'effets similaires : le « bang » sonore du passage du mur du son devient un « bang » lumineux connu sous le nom d'effet Cerenkov.

 

Figure 2 : Le réacteur nucléaire de Reed est (comme tous les réacteurs nucléaires) plongé au fond d’une piscine. Il émet des particules qui vont plus vite que la lumière ne se propage dans l’eau et émet par conséquent de la lumière « Cerenkov », d’une couleur bleue caractéristique.

 

La réalisation d'une expérience de lumière lente demande une grande maîtrise de plusieurs paramètres. Il faut travailler avec un système suffisamment simple pour que les niveaux d'énergie soient bien connus et manipulables (voir figure 1) ; il faut également utiliser un milieu suffisamment dense pour ralentir la lumière mais suffisamment dilué pour qu'une faible puissance laser suffise à atteindre tous les atomes. À l'heure actuelle, ces contraintes rendent impossibles l'application de la transparence électromagnétiquement induite à des situations macroscopiques complexes, comme la propagation d'un faisceau sonde au travers d'un mur opaque ou d'une atmosphère turbulente rendus transparents par un faisceau coupleur. Pour son expérience, Lene Hau et son équipe ont dû utiliser un nuage de quelques milliards d'atomes de sodium refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du 0 absolu. Dans ces conditions, les atomes de sodium se retrouvent tous dans la même configuration et forment un condensat de Bose Einstein, un état particulier de la matière extrêmement pur et facilement manipulable, mais très difficile à produire et impossible à conserver plus de quelques secondes.

Depuis, les records s'accumulent. En 2003, Robert Boyd et son équipe sont parvenus à s'affranchir des basses températures et à obtenir des résultats analogues en ralentissant la lumière jusqu'à 57 mètres par seconde dans un cristal de rubis à température ambiante [7]. Des pistes sont également suivies pour piéger la lumière au cours de sa traversée et l'immobiliser au cœur de la matière pendant plusieurs secondes. Dès 2003 une équipe de Harvard [8] est parvenue à arrêter la lumière en diminuant progressivement l'intensité du faisceau coupleur pour forcer la matière à absorber le faisceau sonde puis en restaurant l'intensité initiale pour le faire réapparaître (voir figure 3).

 

Figure 3 : la lumière arrêtée. À gauche : un faisceau coupleur rend la matière transparente pour une impulsion lumineuse sonde. Au centre : quand l'impulsion est entièrement entrée dans le nuage, on coupe progressivement le faisceau coupleur. Tant que le faisceau coupleur est éteint, la lumière sonde est absorbée et réémise sans pouvoir se propager, mais la matière garde une mémoire de ses propriétés. Cette mémoire peut persister pendant plusieurs secondes ! À droite : lorsque le faisceau coupleur est restauré, les atomes régénèrent l'impulsion initiale en conservant sa cohérence. Vu de l'extérieur, la lumière a été piégée un certain temps dans le nuage avant d'en ressortir.

 

Il y a quelques semaines, l'exploit était renouvelé et amélioré par une équipe de Darmstadt [9] qui est parvenue à immobiliser une impulsion lumineuse pendant près d'une minute !

Ces résultats ouvrent la voie vers une utilisation pratique voire industrielle de ces techniques ; et les conséquences pour l'informatique quantique sont nombreuses. En effet, plusieurs propositions suggèrent d'utiliser directement la lumière pour transporter des informations et effectuer des opérations dans une nouvelle conception de l'ordinateur. Immobiliser la lumière est une première étape vers la réalisation de mémoires entièrement optiques ; la transparence électromagnétiquement induite apparaît alors comme un outil particulièrement adapté. 

Stocker l'information ne suffit pas à faire un ordinateur, il faut également pouvoir la manipuler. De nombreuses techniques existent pour changer les propriétés de la lumière mais elles sont toutes indirectes : dans le vide ou dans l'air, la lumière traverse la lumière sans la moindre interaction ni le moindre effet ; deux impulsions lumineuses ne peuvent donc pas s'influencer l'une l'autre. La réalisation d'une porte logique semble alors impossible [10]. Cependant la situation est différente au sein de la matière et des résultats récents laissent penser que la transparence électromagnétiquement induite pourrait à nouveau constituer une solution.

 

Une équipe du MIT est en effet parvenue à faire interagir deux impulsions lumineuses en appliquant les techniques de la transparence électromagnétiquement induite un gaz de Rubidium ultra froid. Leur résultat est incroyable : les deux impulsions, envoyée l'une après l'autre dans le nuage de gaz avec un délai de 5 micro secondes semblent s'attirer l'une l'autre et ressortent simultanément du nuage (voir figure 4). Tout comme deux atomes peuvent s'attirer jusqu'à former une molécule, la lumière semble ici capable de former un ensemble structuré : on parle d'état lié.

 

Figure 4 : Interaction entre photons. À gauche : deux impulsions successives arrivent dans le nuage éclairé par un faisceau coupleur. Au centre : à l'intérieur du nuage, chaque impulsion excite les atomes qui l'absorbent dans un état de Rydberg (en rouge). Les états de Rydberg interagissent à distance les uns avec les autres ; cette interaction affecte les atomes, qui affectent en retour la lumière qu'ils ont absorbée. Cet effet se traduit par une attraction effective d'une impulsion lumineuse sur l'autre. Du fait de cette attraction, les deux impulsions forment un état lié au sein du nuage. À droite : lorsqu'elles se découplent de la matière, les deux impulsions sont « collées » l'une à l'autre, preuve de leur interaction passée.

 

Pour comprendre ce phénomène, il faut chercher l'origine de l'attraction de la lumière avec elle-même. Lorsqu'une impulsion sonde traverse la matière préparée par le faisceau coupleur, elle n'existe plus sous forme de lumière pure et la matière n'existe plus sous forme d'atomes isolés : il faut pour décrire le système tenir compte des absorptions et des réémissions permanentes (voir figure 4). Dans ce cadre, toute modification sur les atomes du milieu se répercute sur la lumière qui les traverse et, lorsque l'impulsion lumineuse ressort du nuage, elle garde mémoire des interactions qu'elle a subies. Par ailleurs, lorsqu'un atome absorbe une partie d'une impulsion lumineuse, il passe dans un état excité (appelé état de Rydberg) et devient sensible à la présence d'autres atomes dans le même état. Ce sont ces deux effets qu'ont utilisés Vladan Vuletic et son équipe : chacune des impulsions excite les atomes autour d'elle ; les atomes excités interagissent entre eux à distance et transmettent l'effet de cette interaction à la lumière qu'ils réémettent : c'est donc bien une interaction de lumière à lumière, portée par les atomes, qui a lieu au sein de la matière. 

De manière très surprenante, un résultat en tout point analogue a été découvert par l'équipe Immanuel Bloch du Max Planck Institute de Munich en étudiant la propagation d'ondes d'aimantation. Dans leur expérience, des atomes du Rubidium ultrafroids sont piégés dans un réseau optique et forment une chaîne semblable à une chaîne d'aimants tous alignés dans la même direction (figure 5). Si on retourne brusquement un atome, on déclenche une réaction en chaîne : comme dans une ola, les atomes environnant se retournent tour à tour avant de revenir à leur configuration initiale. On parle alors d'une onde d'aimantation, ou magnon, qui présente de grandes similitudes avec une impulsion lumineuse.

 

Figure 5 : Propagation d'un magnon. En haut : Chaque atome se comporte comme un petit aimant et possède donc une orientation (Nord-Sud ou Sud-Nord). Dans une chaîne d'atomes tous orientés dans la même direction, on « retourne » une particule. Au milieu : l'interaction entre cette particule retournée et ses voisines peut ramener l'atome dans sa configuration initiale en retournant un atome adjacent. En bas : le retournement se propage de proche en proche, comme une ola dans une foule. On observe donc une onde d'aimantation, ou magnon, qui avance le long de la chaîne.

 

Bloch et son équipe sont parvenus à générer deux magnons simultanément, en retournant deux atomes à la fois, et à suivre leur propagation le long de la chaîne. Alors que chaque magnon est a priori libre de se déplacer dans un sens ou un autre, ils semblent s'attirer mutuellement et on trouve le plus souvent les deux magnons localisés l'un à côté de l'autre. Mieux encore : du fait de sa masse plus importante, le paquet de deux magnons se déplace moins vite que les magnons individuels, ce qui confirme la formation d'un état lié et non d'une simple juxtaposition. 

Cette analyse fine du fonctionnement des magnons apporte une pierre supplémentaire à la compréhension de la supraconductivité, la disparition brutale de la résistance électrique d'un matériau en deçà d'une température critique. Le modèle actuel, développé en 1957 par Bardeen, Cooper et Schrieffer (modèle BCS), décrit correctement les supraconducteurs dont la température critique est inférieure à quelques kelvins mais ne parvient pas à expliquer le fonctionnement des supraconducteurs dits « à haute température critique ». La réalisation d'un supraconducteur à température ambiante est l'un des enjeux majeurs du domaine et le résultat de Bloch peut permettre d'avancer dans cette direction.

Manipulés convenablement, les magnons comme les photons peuvent non seulement interagir, mais même s'attirer jusqu'à former des états liés. La proximité de ces deux résultats montre bien l'envergure de la recherche : outre les possibles applications de chacun des résultats (à l'informatique quantique ou à la supraconductivité), les deux expériences font émerger une nouvelle matière quantique, distinctes des solides, des liquides ou des gaz, et montrent l'universalité de la physique, qui peut décrire avec les mêmes outils des situations radicalement différentes.

 

[1] Lehoucq R., Faire de la science avec Star Wars, Éditions le Pommier (2005)

[2] Firstenberg O., Peyronel T., Liang Q., Gorshkov A., Lukin M. et Vuletic V., Attractive photons in a quantum nonlinear medium, Nature, 502, 71-75 (2013)

[3] Fukuhara T., Schauß P., Endres M., Hild S., Cheneau M., Bloch I. et Gross C., Microscopic observation of magnon bound states and their dynamics, Nature 502, 76–79 (2013)

[4] « Lorsque la lumière entre en contact avec un puissant champ de magie, elle perd toute notion d’urgence. Elle réduit carrément sa vitesse. Et sur le Disque-monde la magie était fâcheusement puissante, autant dire que la douce lumière jaune de l’aube se répandait sur le paysage endormi telle la caresse d’un amant attentionné ou, selon certains, comme de la mélasse. Elle marquait une pause pour emplir les vallées. Elle s’amoncelait au pied des chaînes de montagnes. Quand elle atteignait Cori Celesti, l’aiguille de pierre grise et de glace verte haute de vingt kilomètres qui formait le moyeu du Disque, résidence des dieux, elle s’accumulait jusqu’à finir par déferler en un gigantesque tsunami paresseux, dans un silence de velours, sur les terres enténébrées au-delà. » 

Terry Pratchett, Le Huitième Sortilège, L'Atalante (1996)

[5] Harris, S., Electromagnetically Induced Transparency, Physics Today, 50, pp. 36–42 (1997)

[6] Hau, Lene at al., Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas, Nature 397, p594 (1999)

[7] Matthew S. Bigelow, N. N. Lepeshkin, and Robert W. Boyd , Observation of Ultraslow Light Propagation in a Ruby Crystal at Room Temperature, Physical Review Letters, Vol. 90, No. 11 (2003) 

[8] Bajcsy M, Zibrov A.S, Lukin M.D., Stationary pulses of light in an atomic medium, Nature, 426, 638-641, (2003) ()

[9] Georg Heinze, Christian Hubrich et Thomas Halfmann, Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute, Phys. Rev. Lett. 111, 033601 (2013)

[10] La plupart des portes logiques fait intervenir deux bits : l'état d'un bit est modifié en fonction de l'état de l'autre. Sans interaction directe entre bits, il faut lire l'état de chaque bit pour décider de l'opération à effectuer. Mais dans un ordinateur quantique, la lecture d'un bit quantique (qubit) détruit sa nature quantique et rend impossible ce fonctionnement. Il faut donc trouver un moyen pour faire agir directement un qubit sur un autre, sans intermédiaire de lecture.

 

 

La propagation de la lumière dans un milieu est caractérisée par sa vitesse de groupe, qui décrit la vitesse d'avancée d'une impulsion lumineuse (un « groupe » de lumière) et éventuellement son étalement. De manière générale, cette vitesse de groupe dépend à la fois des propriétés du milieu (ie quels atomes le composent ? Comment sont-ils organisés dans la matière?) et des propriétés de la lumière (ie quelle fréquence ? Quelle direction de propagation ? Quelle polarisation ?).

Dans le cadre de la transparence électromagnétiquement induite, lorsqu'un faisceau coupleur rend transparent le milieu, on peut exprimer une vitesse de groupe effective pour rendre compte de la propagation du faisceau sonde. Dans l'hypothèse où les intensités des faisceaux coupleur et  sonde sont suffisamment faibles, on peut montrer que la vitesse de groupe s'exprime sous la forme suivante :

où n est la densité d'atomes dans le milieu, ω_p est la fréquence du faisceau sonde, μ_p et μ_c caractérisent respectivement l'efficacité de l'excitation par le faisceau sonde et le faisceau coupleur et I_c désigne l'intensité lumineuse du faisceau coupleur. ħ est la constante de Planck, qui vaut environ 6*10^-34 J.s

Plus le milieu est dense (ie plus n est grand), moins la lumière avance vite et on comprend pourquoi les expériences tentent d'utiliser des milieux solides, bien que le contrôle y soit moins fin que dans un gaz ultrafroids. On voit également que la vitesse dépend directement de l’intensité du faisceau coupleur : plus le faisceau coupleur est intense, plus la vitesse de groupe est élevée et plus la traversée est aisée pour le faisceau sonde.

Par ailleurs, la vitesse de groupe ne dépend pas de l’intensité du faisceau sonde : il n’y a pas d’effet de saturation (tant que l’intensité reste suffisamment faible pour que la formule soit applicable). En revanche, la vitesse de propagation dépend de la fréquence de la lumière incidente. Dans une impulsion où plusieurs fréquences sont présentes simultanément, cette dépendance se traduit par un étalement du paquet d’onde : la forme de l’impulsion dans le milieu n’est plus la même que dans le vide.

 

Daniel Suchet