spectroscopie d'émetteur quantique

Sur la table repose un mille-feuille d'écailles de nitrure de bore hexagonal, un matériau qui ressemble au graphite mais composé d'atomes de bore et d'azote. On transfère délicatement une écaille sur une autre, et dans la zone où elles se chevauchent, après un passage au four sous oxygène, naissent de brillantes sources de lumière uniques.

Le faisceau d'un microscope électronique voyage habituellement dans le vide, comme un coursier sur une autoroute déserte. Toute molécule d'air est pour lui une bosse qui le fait tressauter et perdre sa direction. C'est pourquoi, auparavant, pour examiner un échantillon, on le congelait, le séchait ou le recouvrait de métal, et on ne regardait toujours que sous vide.

La lueur bleue dans l'eau autour d'un réacteur nucléaire est une lumière qui naît lorsqu'une particule chargée dépasse la lumière dans ce milieu. L'effet a été découvert par Pavel Tcherenkov en 1934, et la théorie a été donnée par Igor Tamm et Ilia Frank.

Un orchestre sans chef, où les musiciens s'entendent à travers un mur commun. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de laser : quelques atomes (les émetteurs) sont placés le long d'un guide d'onde — une fine piste pour la lumière sur une puce. La lumière de chaque atome se propage le long de cette piste et influence ses voisins.

Un trou noir, c'est une poche cosmique dans laquelle tout tombe, même la lumière. Mais les travaux pionniers de John Archibald Wheeler, Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que, parfois, à cause de l'immense courbure de l'espace-temps…

Lorsque de nombreux atomes excités sont rassemblés, ils émettent souvent de la lumière de manière coordonnée — comme une foule qui applaudit en rythme. Ce phénomène bien connu s'appelle la superradiance de Dicke. Mais les auteurs de la nouvelle étude se sont demandé : que se passe-t-il si les atomes ne sont pas identiques et que chacun ressent ses voisins ?

Chercher un point lumineux unique dans un échantillon sombre, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin : le faisceau du microscope progresse ligne par ligne, gaspillant du temps et de la lumière. Les physiciens ont remplacé ce lent balayage par des motifs de lumière aléatoires.

La lumière qu'émet un atome n'est pas qu'un simple flash. Elle porte l'empreinte de l'état dans lequel se trouvait l'atome au moment de l'émission. Des physiciens ont pris un qubit supraconducteur — un atome artificiel de la taille d'une puce électronique — et l'ont fait briller dans un guide d'ondes ouvert, comme une ampoule dans un long couloir.

Dans une pièce sombre, un atome et la lumière sont enfermés ensemble dans une boîte à miroirs. La boîte est si petite que l'atome ne peut pas simplement libérer la lumière – ils échangent constamment de l'énergie, comme deux danseurs qui ne se lâchent pas les mains.

La lumière d'un laser, c'est comme une rangée parfaitement alignée de soldats lors d'une parade : toutes les ondes oscillent dans un même plan. On dit d'une telle lumière qu'elle est polarisée.

Un laser ordinaire ressemble à un chœur où chacun chante pour soi : le son est puissant, mais avec des aspérités inévitables. Dans le nouveau laser quantique, les chanteurs s'écoutent et ajustent leurs voix.

Une centaine de lucioles dans un bocal clignotent en désordre, mais dès qu'elles se synchronisent, les flashs se combinent en une impulsion lumineuse. C'est à peu près ce que font les émetteurs quantiques : des atomes individuels ou des particules artificielles qui peuvent émettre des photons.

Sur un vaste champ de lucioles qui scintillent une à une, et non en essaim, se penche un nouveau dispositif automatique. Il promène un laser sur l'échantillon, comme une lampe de poche, et enregistre en chaque point la couleur et l'intensité de la lueur.

La lumière émise par une multitude de minuscules émetteurs — atomes ou « points quantiques » artificiels — se disperse généralement dans toutes les directions, comme une foule où chacun crie pour soi. Mais si on les fait « chanter en chœur », l'éclat devient bien plus intense.

Une source de lumière unique dans une fine couche de nitrure de bore s'allume et s'éteint en quelques nanosecondes. On peut créer de nombreuses sources de ce type dans le matériau, mais chacune fonctionnait longtemps de manière indépendante. Dans ces nouveaux travaux, elles ont été amenées à briller ensemble, comme des musiciens jouant à l'unisson.