Des physiciens observent la lumière quitter un nuage d’atomes avant même d’y pénétrer

Une nouvelle bizarrerie quantique. De récentes expériences ont montré que des particules de lumière pouvaient passer un « temps négatif » dans un nuage d’atomes ultra-froids.

Temps négatif

Lorsque la lumière traverse un matériau, sa vitesse change à mesure que ses particules, ou photons, interagissent avec les atomes qui les entourent. Ces derniers vont absorber puis libérer les photons, ce qui a pour effet d’allonger leur temps de parcours. Mais comme le révèle une nouvelle étude prépubliée sur le serveur arXiv, cela n’est pas nécessairement le cas à l’échelle quantique.

Lire aussi Le CERN produit des hypernoyaux, un nouveau type de matière exotique

Menés par Daniela Angulo, de l’université de Toronto, ces travaux ont impliqué un amas de dizaines de milliers d’atomes de rubidium refroidis à une température proche du zéro absolu, les rendant sensibles aux effets quantiques, deux faisceaux lasers et autant de détecteurs.

Le premier faisceau transportait les photons qui étaient soit réfléchis par les atomes, soit absorbés puis libérés par eux, tandis que le second faisait office de témoin. Grâce à cette configuration, l’équipe a pu déterminer si un atome avait changé d’état pendant que le photon se trouvait à l’intérieur du nuage, et pendant combien de temps.

Thanks to quantum effects, light can spend a negative amount of time inside a cloud of ultracold atoms https://t.co/Fc3PBy3W4f

— New Scientist (@newscientist) September 18, 2024

Des semaines d’expérimentations minutieuses ont montré que la combinaison d’une certaine fréquence laser et d’états quantiques particuliers pour les atomes permettait essentiellement aux photons de quitter le nuage d’atomes avant même d’y être entrés.

Lire aussi Des physiciens observent pour la première fois une particule décrite il y a plus d’une décennie

Bizarrerie quantique

Si l’idée d’un « temps négatif » peut sembler paradoxale, elle n’enfreint aucune règle de causalité ni la relativité restreinte d’Albert Einstein, car les photons ne sont pas utilisés pour communiquer une quelconque information.

« L’expérience nous permet de mieux comprendre comment la lumière et la matière peuvent interagir dans le domaine quantique », explique Aephraim Steinberg, co-auteur de la nouvelle étude.

Selon Peter Milonni, de l’université de Rochester, cette mesure négative du temps pourrait être interprétée comme une conséquence du flou inhérent à la mécanique quantique, où plusieurs possibilités « simultanées » de déplacement d’un photon à travers un nuage d’atomes sont envisageables. « Lorsque les conditions adéquates sont réunies, il arrive que l’un de ces résultats contre-intuitifs l’emporte », conclut-il.

Lire aussi Des scientifiques dévoilent la structure interne d’un neutron avec une précision effarante