superradiance

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.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Un chœur où chaque chanteur tombe juste sur les notes sonne plus fort que ce à quoi on pourrait s’attendre d’une simple somme des voix. Cent personnes ne chantent pas cent fois, mais dix mille fois plus fort qu’une seule. Dans le monde des atomes, il se passe quelque chose de similaire. Lors du comportement collectif, découvert par Robert H.

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.

Une corde sonne parfaitement pur tant qu'un courant d'air ne la touche pas. C'est à peu près ainsi que fonctionne un laser superradiant : un faisceau d'atomes, préalablement chargés d'énergie, traverse une pièce faite de deux miroirs — le résonateur optique (un piège où la lumière rebondit d'avant en arrière).

Si un trou noir tourne rapidement, il peut retenir autour de lui un nuage de particules ultra-légères, si légères que leur masse s'évanouit presque. Ensemble, elles s'organisent en couches, comme les électrons dans un atome, mais ici c'est la gravité qui joue le rôle des forces électriques. Cette structure emmagasine de l'énergie, telle un ressort bandé.

Les soufflets de forge attisent le feu en expulsant brusquement l'air. Dans l'espace, le rôle de ces soufflets est joué par l'onde de choc d'une supernova — concept introduit par Fritz Zwicky : elle rattrape une bulle géante de particules chargées et de champs magnétiques formée autour d'une…

Un télémètre ordinaire envoie une impulsion lumineuse unique et attend son retour, comme une personne qui crie dans le vide et écoute l'écho. Mais si l'on active plusieurs sources qui brillent à l'unisson et que l'on analyse non pas l'intensité, mais le rythme des échos des flashs réfléchis, l'image devient plus nette.

Des physiciens ont proposé une expérience : un faisceau laser joue le rôle de détecteur quantique et est divisé en deux faisceaux-oreilles. Chaque oreille est dirigée à travers un minuscule nuage d'atomes ultra-froids — dans cet état, les atomes fusionnent en une onde unique.

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 ?

Une pierre tombe dans un étang : près du bord, les rides sont presque invisibles, mais à l'endroit de l'impact, l'eau bouillonne. Le champ électrique autour d'une charge se comporte de la même manière : à proximité, il est intense et chaotique ; à distance, il s'étire en une onde régulière qui emporte de l'énergie.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

Un faisceau d'électrons dans un accélérateur ressemble à une volée d'oiseaux : il vole en groupe serré, mais avec le temps, il se disperse. Pour maintenir les particules ensemble, on installe généralement de lourds aimants. Ici, on s'en est passé : le faisceau s'est comprimé tout seul.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Un ordinateur quantique, c'est un peu comme un orchestre où chaque qubit est un musicien qui joue sa partition. Mais de temps en temps, un rayon cosmique fait irruption dans la salle, et le violoniste sursaute, perdant le rythme.

Des physiciens ont piégé un nuage d'atomes de lithium entre deux miroirs. La lumière rebondit à l'intérieur, comme dans une chambre d'écho, forçant les atomes à émettre de manière synchrone — on obtient de la superradiance, semblable à un chœur où les voix se fondent en un seul grondement.

Une nuée de lucioles dans la forêt nocturne scintille au hasard : chaque insecte clignote pour son compte, et la lumière se disperse également dans toutes les directions. Maintenant, imaginez que les lucioles se mettent d'accord pour clignoter de sorte que leur lumière collective parte uniquement vers le nord — alors qu'elles restent sur place et qu'aucune ne se tourne.

Dans deux pièces miroir, placées perpendiculairement, vit un nuage d'atomes. Chaque atome est comme un chanteur dans un chœur : seul, il peut se taire, mais quand ses voisins commencent à chanter, il reprend.

La pointe d'un microscope à effet tunnel s'approche si près de la surface d'un cristal qu'un courant électrique s'établit entre eux. Les électrons de l'aiguille sont injectés dans un semi-conducteur en couches et tombent dans une lacune atomique — un endroit où il manque un atome dans le réseau.

Un faisceau laser vole généralement tout droit, comme un jet d'eau sortant d'un tuyau. Mais que se passerait-il si l'on tordait ce jet comme le filet d'un tire-bouchon ? On obtiendrait un ressort lumineux — un faisceau qui, en avançant, tourne également autour de son axe.

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.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

Une multitude d'atomes peuvent agir comme un orchestre bien réglé : si chacun émet de la lumière à l'unisson avec les autres, l'éclat est multiplié. C'est la superradiance — un phénomène bien étudié en laboratoire, mais presque jamais recherché dans l'espace.

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.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

Un laser ordinaire émet des photons un par un, comme un robinet qui goutte. Mais que faire si l'on a besoin de plusieurs particules de lumière nées au même instant ?

Une chaîne d'atomes sur une puce photonique se comporte comme une rangée de pendules accrochés à une barre commune : en oscillant en sens opposés, ils transmettent à peine leur énergie à l'air et restent figés longtemps.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

La superfluorescence est l'expiration synchronisée de lumière d'un cristal. Des chercheurs viennent d'observer son image miroir : la superabsorption, une inspiration coordonnée.

Les atomes, tels un essaim de lucioles, scintillent à l'unisson. Lorsqu'ils s'illuminent simultanément, la lumière est amplifiée considérablement : cent atomes émettent une lumière dix mille fois plus intense qu'un seul. Des physiciens ont transformé cette prouesse en moteur thermique.

En 1976, le physicien canadien Bill Unruh posa une question simple : que voit un observateur qui accélère dans le vide ? La réponse s'avéra étrange : le vide cesse d'être vide. L'observateur accéléré baigne dans un rayonnement thermique dont la température est proportionnelle à l'accélération.

L'émission spontanée – ce processus qui allume les lampes et les étoiles – a longtemps été considérée en physique quantique comme un bruit gênant.