absorption à deux photons

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.

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

Un paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).

Un éclair de rayons X traverse la matière en quelques milliardièmes de seconde. Pour le mémoriser, les physiciens font en sorte que les atomes absorbent brièvement cette lumière, puis la relâchent. Mais récupérer un photon sur commande, c'est comme essayer de sortir le bon livre d'une bibliothèque dont les étagères bougent toutes seules.

La durée de vie de la paire de triplets intriquée dans la protéine est d'environ 60 picosecondes, soit huit fois plus longue que dans une solution. La lumière du soleil est comme un flux continu de balles frappant un mur.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Les batteries ordinaires perdent leur charge comme un thé qui refroidit. La batterie quantique, elle, fonctionne autrement : son cœur est une minuscule cavité où s'agitent des photons.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

La lumière n'est pas seulement des rayons, mais des ondes qui peuvent tourbillonner, comme un couple en danse. Leur rotation totale est appelée par les physiciens moment angulaire orbital, et on pensait qu'elle obéissait à la loi de conservation découlant des symétries de la nature, découvertes par Emmy Noether.

Un piège à atomes ordinaire fonctionne comme un entonnoir : la lumière laser et le champ magnétique ralentissent les atomes et les rassemblent au centre. Mais l'entonnoir a une limite : il ne capture que les atomes ayant une certaine vitesse.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

La lumière d'une ampoule, ou même d'un laser ordinaire, évoque la foule à la sortie du métro : les gens avancent en désordre, tantôt denses, tantôt espacés. Les physiciens appellent ce comportement le bruit de grenaille — ce sont les fluctuations aléatoires du nombre de particules qui arrivent par seconde.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

Dans chaque cellule se trouvent de minuscules centrales énergétiques : les mitochondries. Elles brûlent les nutriments et stockent l'énergie. Deux molécules auxiliaires, le NADH et le FAD, supervisent ce processus. Auparavant, on les repérait grâce à une faible luminescence, mais celle-ci était ténue et les signaux des différentes molécules se mélangeaient.

Un gardien doit vérifier cinq pièces, mais il ne peut pas entrer. Il frappe à la porte et écoute : le silence signifie que quelqu'un est à l'intérieur, tandis que l'écho indique que la pièce est vide.

La lumière pousse généralement un atome tout droit, comme le vent pousse une voile. Mais si l'on tord le faisceau en tire-bouchon, le tableau change : l'atome peut s'envoler de côté, comme s'il avait été accroché par une roue en rotation.

Un robinet dont l'eau ne coule pas en jet mais strictement goutte à goutte — c'est ainsi que l'on peut décrire la source de photons uniques dont parlent les auteurs. Dans la lumière ordinaire, les photons volent en foule, comme l'eau d'un robinet ouvert.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Une goutte d'eau sur une feuille sous le soleil disparaît plus vite que ne le prévoient les calculs thermiques. Il y a quelques années, une hypothèse a émergé : la lumière, par elle-même, sans chauffer, pourrait arracher les molécules d'eau de la surface. On a appelé cela l'effet photomoléculaire.

Deux minuscules émetteurs, chacun de la taille d'un atome, peuvent ensemble accomplir ce qu'ils ne pourraient pas faire séparément. Il s'agit de la diffusion de la lumière — lorsque la lumière frappe des particules et se disperse dans toutes les directions. En général, une paire de particules ne diffuse la lumière que légèrement plus qu'une seule.

Un point lumineux de la taille d'une molécule. On y fait passer un courant, et elle s'illumine comme une minuscule ampoule. Voilà à quoi ressemble l'expérience avec des molécules de colorant déposées sur une fine pellicule de sel. Lorsque le courant atteint la molécule, un électron lui cède de l'énergie. La molécule restitue aussitôt cette énergie sous forme de lumière.

Un peigne ordinaire sépare les cheveux en mèches régulières. Un « peigne » laser fait de même avec la lumière : il n'émet pas une seule couleur, mais des milliers de couleurs, espacées par des pas de fréquence strictement identiques.

Une lampe ordinaire ne fera pas briller un atome — c'est trop faible. Mais si l'on ralentit les atomes presque jusqu'à l'arrêt complet, même un minuscule flux de photons, comme de rares gouttes sortant d'une pipette, les fera répondre par un éclat lumineux.

La lumière qui traverse une cellule colorée perd une partie de sa puissance, comme le faisceau d'une lampe de poche qui traverse un verre de thé. Plus la couleur est dense, plus la lumière est absorbée. Mais jusqu'ici, le microscope ne montrait qu'une ombre plate de ce processus, pas son volume.

La lumière est un excellent outil pour étudier les tissus, mais elle s'éteint rapidement en profondeur. Après quelques millimètres à peine, les photons sont tellement diffusés qu'il devient impossible de distinguer quoi que ce soit. Les scientifiques ont imaginé une solution de contournement : au lieu d'éclairer de l'extérieur, amener une minuscule source de lumière directement à l'intérieur.

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.

La lumière est une invitée capricieuse. Elle entre dans le résonateur, mais ne s'y attarde pas : une partie de l'impulsion est inévitablement réfléchie et emporte avec elle l'information quantique. Les schémas classiques de capture en un seul passage se heurtent à cette limite, quelle que soit l'amélioration du contrôle.