Des physiciens transforment la lumière en gaz unidimensionnel aux propriétés étranges

Des chercheurs ont réalisé une avancée remarquable en créant un gaz unidimensionnel à partir de photons de lumière, révélant des propriétés étonnantes et peu comprises de cet état de la matière. Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre sur la physique quantique et les phénomènes qui se produisent lorsque des particules sont refroidies à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu. L’étude a été publiée dans la revue Nature Physics.

Le phénomène du condensat de Bose-Einstein

Lorsqu’on abaisse la température de certaines particules à une échelle proche du zéro absolu, des états particuliers de la matière peuvent émerger. L’un des plus connus est le condensat de Bose-Einstein (BEC), une hypothèse théorique proposée pour la première fois par Albert Einstein et Satyendranath Bose. Ce phénomène survient lorsque des bosons — des particules subatomiques portant une force avec un spin entier — sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Ils forment alors un objet quantique unique, dont la fonction d’onde correspond à l’état fondamental d’une entité macroscopique quantique.

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Dans un condensat de Bose-Einstein, un ensemble de particules se comporte comme une entité unifiée, obéissant aux lois de la mécanique quantique. Découvert expérimentalement pour la première fois en 1995, ce nouvel état de la matière permet d’observer le comportement quantique à une échelle macroscopique. 

Une des caractéristiques les plus étranges de ce condensat est son absence de viscosité. Si l’on verse une petite quantité de cette matière dans un verre, elle grimpe le long des parois du récipient. Les BEC peuvent aussi former des tourbillons persistants et, dans certaines circonstances, créer des analogues de trous noirs ou exploser de manière similaire à une supernova, un phénomène appelé « bosénova ».

La création d’un condensat à partir de photons

Les condensats de Bose-Einstein peuvent être créés à partir de n’importe quel matériau obéissant aux statistiques de Bose-Einstein, et bien que cela soit plus facile avec les bosons, il est également possible de former des BEC avec des paires de fermions appelées paires de Cooper. Les photons, ces particules de lumière, obéissent également à ces statistiques, ce qui les rend idéaux pour former des condensats.

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Une équipe de physiciens des universités de Bonn et de Kaiserslautern-Landau, en Allemagne, a réussi à former un condensat de photons, mais cette fois avec une particularité supplémentaire : ils ont pu créer ce condensat en une et deux dimensions. Le Dr Frank Vewinger, membre de l’équipe, explique : « Pour créer ce type de gaz, nous devons concentrer un grand nombre de photons dans un espace confiné tout en les refroidissant simultanément. » 

Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un petit récipient rempli d’une solution de colorant. Ils ont ensuite excité cette solution avec un laser, ce qui a piégé les photons dans le récipient. Ces photons ont alors rebondi sur les parois du récipient et sont entrés en collision avec les molécules de colorant, ce qui les a refroidis, formant ainsi un gaz de photons condensé.

Manipulation des dimensions

La véritable innovation de cette étude réside dans la capacité des chercheurs à piéger ces photons dans une ou deux dimensions. En modifiant la surface réfléchissante du récipient avec un polymère transparent, l’équipe a réussi à créer de petites protubérances qui ont piégé les photons refroidis dans ces dimensions réduites.

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Julian Schulz, l’un des chercheurs de l’université de Kaiserslautern-Landau, explique : « Ces protubérances permettent de piéger les photons en une ou deux dimensions et de les condenser. » L’auteur principal, Kirankumar Karkihalli Umesh, ajoute que plus la gouttière est étroite, plus le gaz se comporte comme un gaz unidimensionnel. Alors que les BEC en deux dimensions présentent déjà des propriétés intéressantes, l’équipe a pu étudier en détail la transition entre les états bidimensionnels et unidimensionnels des gaz de photons. 

Les fluctuations thermiques dans le gaz unidimensionnel

Lorsque le gaz de photons est contraint dans une seule dimension, des fluctuations thermiques plus importantes se produisent, contrastant avec la stabilité relative des BEC bidimensionnels. Dans une configuration bidimensionnelle, ces fluctuations sont si faibles qu’elles n’ont pas d’effet notable. Cependant, dans un espace unidimensionnel, elles peuvent provoquer des variations significatives.

« Dans un gaz unidimensionnel, ces fluctuations peuvent affecter le comportement global du condensat, avec différentes régions qui agissent de manière indépendante », précise Vewinger. Ce comportement est similaire à celui d’un gaz quantique dégénéré, où les régions ne se comportent pas de manière uniforme, créant des disparités quantiques dans l’ensemble du système.

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Un autre aspect fascinant de cette découverte est que, contrairement aux BEC bidimensionnels qui se forment à des températures précises proches du zéro absolu, les gaz unidimensionnels de photons ne présentent pas de point de condensation bien défini. Cela laisse entrevoir des dynamiques encore plus complexes et mystérieuses, que les chercheurs espèrent explorer plus en profondeur dans de futures études. Par ailleurs, la lumière du soleil transforme le CO2 et le méthane en composés précieux.