Un faisceau laser faible tombe sur une minuscule structure — une cavité hybride en métal et en verre. À l'intérieur est piégée une seule molécule fluorescente. D'ordinaire, une telle lumière ne fait que légèrement changer de couleur en se diffusant sur les vibrations thermiques des atomes. Mais ici, les physiciens ont réglé le laser de sorte que la molécule soit au bord de la saturation : elle est presque aveuglée, mais encore capable d'absorber des photons.
À ce moment, l'inattendu se produisit. Les raies de la lumière diffusée — les composantes Stokes et anti-Stokes (décalées vers les côtés rouge et violet du spectre) — se sont écartées bien plus que d'habitude. La lumière et le frémissement mécanique de la molécule sont entrés dans un fort couplage optomécanique. Le faisceau lumineux est devenu comme un petit marteau sensible qui, non content d'écouter, ressent l'élasticité d'un ressort invisible — les vibrations des liaisons chimiques.
Les auteurs sont allés plus loin et ont calculé les corrélations de photons du second ordre — une mesure de la « cohérence » des particules de lumière arrivantes. Il s'est avéré que la lumière diffusée acquiert des traits non classiques : les photons cessent de se comporter indépendamment, comme des passants au hasard. Leur comportement conjoint révèle l'anharmonicité (l'écart par rapport à une simple élasticité) des vibrations de la molécule. La cavité hybride transforme un signal Raman ordinaire en un stéthoscope optique capable de discerner à quel point une liaison réelle est plus rigide qu'un ressort idéal.
Une seule molécule de colorant saturée peut réémettre jusqu'à un million de photons par seconde — assez pour remarquer le frémissement des atomes avec une amplitude dix mille fois plus petite que le diamètre de la molécule elle-même.