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Pièges à photons: création d’un modèle pour retenir la lumière

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Le premier modèle permettant de capturer et condenser la lumière dans des conditions réalistes a été développé par un doctorant de l’EPFL et sera publié dans Physical Review A.

Les particules élémentaires peuvent être divisées en deux catégories: les fermions et les bosons. Lorsqu’ils sont amenés à des températures qui avoisinent le zéro absolu, les bosons peuvent se condenser en un état collectif de la matière appelé "condensat de Bose-Einstein", où ils occupent un état quantique similaire (p.ex. le même endroit et la même vitesse en simultané).

Ce phénomène permet d’observer des manifestations remarquables comme la supraconductivité – soit la capacité de conduire de l’énergie électrique sans résistance. Un des plus grands défis de la physique consiste à recréer un condensat de Bose-Einstein de façon concrète en utilisant des photons, ce qui pourrait avoir une influence cruciale sur les lasers. Publié dans Physical Review A, un article décrit un modèle théorique réaliste, mis au point par un doctorant de l’EPFL, qui permet de condenser des photons dans des cavités tridimensionnelles.

Les photons peuvent-ils se condenser ?

Les physiciens se demandent depuis longtemps si les photons – les particules qui constituent la lumière – peuvent être condensés. Leur absence de masse pose notamment des problèmes, celle-ci étant un élément clé dans l’obtention d’un condensat de Bose-Einstein. Une des solutions proposées jusqu’ici consistait à utiliser une cavité optique capable de confiner la lumière entre deux bords réfléchissants et parallèles, avec pour conséquence de voir les photons se comporter comme s’ils avaient une masse. La forme rectiligne de la cavité laisse toutefois échapper de la lumière.

Publié en 2010, un article démontrait expérimentalement que les photons pouvaient être enfermés en permanence dans une cavité dont les bords seraient arrondis et non rectilignes. En découle un certain «potentiel d’enfermement» qui empêche les photons de s’enfuir. Le développement d’un modèle théorique à partir de cette expérience s’est toujours révélé délicat. En effet. on part du principe que le système se compose de deux dimensions et que l’espace entre les photons (qui ne peut être de l’air) n’affecte pas leur condensation.

Pièges à photons: création d'un modèle pour retenir la lumière

La condensation photonique modélisée

Or, Alex Kruchkov, un doctorant de l’EPFL, a développé un modèle mathématique qui condense la lumière dans un espace tridimensionnel et dans des conditions réalistes. Partant des recherches existantes, il tenu compte du milieu à l’intérieur de la cavité et de son influence sur les photons capturés, puis a étendu son calcul aux statistiques du condensat de Bose-Einstein en 3D. Résultat, son modèle théorique de condensation photonique correspond aux mesures expérimentales et démontre comment l’énergie lumineuse peut être accumulée dans un état de condensat de Bose-Einstein.

Cette découverte enrichit la théorie sur le condensat photonique de Bose-Einstein, qui constitue un nouveau champ d’investigation de la physique. Ce phénomène a en outre été observé à température ambiante, ce qui facilite son implémentation technologique par rapport au condensant d’hélium 4 (superfluidité) et au refroidissement d’atomes par laser qui nécessitent de basses températures. Une fois appliqué, le condensat de Bose-Einstein photonique pourrait servir au développement d’une nouvelle génération de lasers.

Source : A. Kruchkov. Bose-Einstein condensation of light in a cavity. Phys. Rev. A 89, 033862 DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.89.033862


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