Une rafale de lumière

Certains matériaux émettent spontanément de la lumière s’ils sont excités par une source externe, par exemple par un laser. Ce phénomène est connu sous le nom de fluorescence.

Cependant, dans plusieurs gaz et systèmes quantiques, une émission de lumière beaucoup plus forte peut se produire lorsque les émetteurs au sein d’un ensemble synchronisent spontanément leur phase mécanique quantique entre eux et agissent ensemble lorsqu’ils sont excités. De cette façon, le rendement lumineux qui en résulte peut être beaucoup plus intense que la somme des émetteurs individuels, ce qui conduit à une émission de lumière ultra-rapide et lumineuse – superfluorescence. Cela ne se produit cependant que lorsque ces émetteurs répondent à des exigences strictes, telles que la même énergie d’émission, une force de couplage élevée avec le champ lumineux et un long temps de cohérence. En tant que tels, ils interagissent fortement les uns avec les autres, et en même temps, ils ne sont pas facilement perturbés par leur environnement. Jusqu’à présent, cela n’a été rendu possible avec aucun matériaux technologiquement pertinents. Les points quantiques colloïdaux pourraient rendre le phénomène possible ; ils sont une solution éprouvée et commercialement attrayante déjà utilisée dans les écrans de télévision LCD les plus avancés – et ils répondent à toutes les exigences.

Des chercheurs de l’Empa et de l’ETH Zurich, sous la direction de Maksym Kovalenko, ainsi que des collègues d’IBM Research Zurich, ont montré que la dernière génération de points quantiques en perovskites aux halogénures de plomb offre une voie élégante et pratique vers la superfluorescence sur demande. Pour cela, les chercheurs ont disposé des points quantiques de pérovskite en un super-réseau tridimensionnel, qui permet l’émission collective cohérente de photons – créant ainsi une superfluorescence. Ceci fournit la base pour les sources d’états multiphotons enchevêtrés, une ressource clé manquante pour la détection quantique, l’imagerie quantique et l’informatique quantique photonique.

« Qui se ressemble s’assemble »

Un couplage cohérent entre les points quantiques exige cependant qu’ils aient tous la même taille, la même forme et la même composition, car le proverbe « Qui se ressemble s’assemble » est également valable dans l’univers quantique. « De tels super-réseaux ordonnés à longue portée ne peuvent être obtenus qu’à partir d’une solution de points quantiques hautement monodispersés, dont la synthèse a été soigneusement optimisée au cours des dernières années« , explique Maryna Bodnarchuk, chercheuse principale à l’Empa. Avec de tels points quantiques « uniformes » de différentes tailles, l’équipe de recherche pourrait alors former des super-réseaux en contrôlant correctement l’évaporation du solvant.

La preuve finale de la superfluorescence provient d’expériences optiques réalisées à des températures d’environ moins 267 degrés Celsius. Les chercheurs ont découvert que les photons étaient émis simultanément dans une rafale lumineuse : « C’était notre moment Eureka !« . Dès que nous avons réalisé qu’il s’agissait d’une source lumineuse quantique inédite », explique Gabriele Rainó, de l’ETH Zurich et de l’Empa, qui faisait partie de l’équipe qui a réalisé les expériences optiques.

Les chercheurs considèrent ces expériences comme un point de départ pour exploiter davantage les phénomènes quantiques collectifs avec cette classe unique de matériaux. « Comme les propriétés de l’ensemble peuvent être améliorées par rapport à la somme de ses parties, on peut aller bien au-delà de l’ingénierie des points quantiques individuels« , ajoute Michael Becker de l’ETH Zurich et IBM Research. La génération contrôlée de la superfluorescence et de la lumière quantique correspondante pourrait ouvrir de nouvelles possibilités dans l’éclairage LED, la détection quantique, la communication chiffrée quantique et l’informatique quantique future.

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