Quatre atomes de césium flottent dans le vide, maintenus par des pinces laser comme des perles sur un fil invisible. Autour d'eux se trouve un résonateur en anneau, une boucle fermée de miroirs où la lumière circule sans rencontrer d'obstacle. Lorsqu'un faisceau sonde frappe cette minuscule chaîne, quelque chose d'étrange se produit : les atomes ne diffusent pas la lumière uniformément dans toutes les directions, mais principalement dans une seule. Ce n'est pas un hasard, mais un réglage précis, comme un diapason qui ne répond qu'à sa note.

Auparavant, la diffusion collective de la lumière était étudiée dans l'espace libre ou dans les ondes stationnaires de résonateurs à deux miroirs, où les conditions aux limites étaient imposées par les miroirs. Ici, les ondes progressives du résonateur en anneau rendent l'interférence dépendante uniquement de la position relative des atomes. C'est comme si les musiciens d'un orchestre commençaient à jouer à l'unisson non pas sur ordre du chef, mais simplement parce qu'ils se voient les uns les autres. Les physiciens ont modifié la distance entre les atomes par pas de moins d'un nanomètre à l'aide d'un déflecteur acousto-optique, et ont observé comment le pic d'interférence constructive se rétrécit lorsqu'on ajoute des atomes, de deux à quatre. Pour deux atomes, la période des oscillations dans le mode horaire était de 783.1(4) nm, et dans le mode antihoraire de 935.0(6) nm ; le rapport des périodes a donné l'angle d'incidence du faisceau sonde avec une précision de quelques centièmes de degré.

Mais pour faire chanter les atomes en rythme, il a d'abord fallu les calmer. L'agitation thermique brouillerait la figure d'interférence, comme une main tremblante gâche un fin coup de pinceau. C'est pourquoi les atomes ont été refroidis par refroidissement par résonateur : en ajustant le désaccord du faisceau sonde sur le sidebande rouge des oscillations, chaque photon diffusé emportait un phonon, c'est-à-dire un quantum de mouvement vibratoire. Le mouvement radial des atomes a été refroidi à un nombre moyen de phonons de 0.17(4), ce qui correspond à une température de 2.1(3) µK et à une probabilité de 85 % de se trouver dans l'état vibrationnel fondamental. Le mouvement axial a atteint 3.4(2.4) phonons. C'est comme si l'on gelait un diapason presque au zéro absolu, le faisant cesser de vibrer pour ne laisser qu'un son pur.

Mais le plus surprenant est arrivé avec un atome unique. Préparé dans un état de projection de spin maximale, il diffusait la lumière dans une direction 23 fois plus fortement que dans l'autre. C'est la diffusion chirale, une propriété d'un objet qui ne coïncide pas avec son image miroir. D'une certaine manière, nous nous rapprochons des « réseaux optiques » du roman de Greg Egan, « La Cité des permutants », où des structures ordonnées de matière servent d'éléments de calcul.

Ce travail est à part : les travaux les plus proches portent sur le refroidissement quantique de molécules, l'intrication sur puces et le refroidissement d'ions, mais personne n'avait combiné des réseaux de pinces avec un résonateur en anneau pour contrôler la direction de la diffusion. La différence réside dans l'utilisation d'ondes progressives au lieu d'ondes stationnaires, ce qui élimine la dépendance à la position des miroirs et rend l'interférence purement géométrique. Auparavant, on ne savait pas si l'on pouvait contrôler la direction de la diffusion collective de la lumière par quelques atomes dans un résonateur sans être lié à la position des miroirs. Maintenant, il est démontré qu'un réseau de deux à quatre atomes dans un résonateur en anneau produit un pic de Bragg étroit, et qu'un atome unique peut diffuser la lumière principalement dans une direction. C'est la première réalisation du refroidissement par résonateur d'atomes uniques dans des pinces jusqu'à l'état fondamental en régime de sidebandes résolues.

La plateforme s'étend naturellement à l'étude de la physique non hermitienne et non réciproque, où la directionnalité de la diffusion joue un rôle clé. L'ajout d'une lecture rapide des états et du comptage des atomes, déjà démontré auparavant, permettra d'assembler des molécules à partir d'atomes et de suivre leurs collisions en temps réel. Le refroidissement par résonateur ne dépend pas de la structure interne des particules, il peut donc être transféré aux ions, aux molécules et aux nanoparticules en lévitation. La méthode d'étalonnage subnanométrique des distances sera utile en métrologie quantique, et le refroidissement profond des atomes améliorera la précision des portes quantiques dans les réseaux de Rydberg, où la température résiduelle limite la fidélité. La prochaine étape consiste à refroidir le mouvement axial au niveau du mouvement radial et à vérifier comment cela améliore le contraste des pics de Bragg. Ensuite, il faudra étudier les modes collectifs d'oscillation dans des réseaux ayant des fréquences de piège identiques. Pour l'optique quantique, la question reste ouverte de savoir comment faire évoluer la diffusion directionnelle vers des dizaines et des centaines d'atomes sans perte de cohérence. Le problème de la suppression du chauffage par les faisceaux sondes lors d'expériences de longue durée n'est pas non plus résolu.