Magie quantique : un photon pourrait-il se couper en deux ?

D’après la physique quantique, les photons sont indivisibles. En d’autres termes, ils ne se comportent pas comme des petits paquets d’ondes électromagnétiques qui pourraient se diviser dans une lame semi-réfléchissante. Ce n’est pas faux mais ce n’est pas tout à fait vrai… Un seul photon pourrait tout de même être absorbé par deux atomes à la fois, démontre une étude récente.

Niels Bohr a introduit la quantification des niveaux d’énergie des atomes en 1913. Ces niveaux forment des suites discrètes où les électrons peuvent se trouver dans un état stationnaire. Pour eux, toute transition, tout saut quantique entre deux niveaux, ne peut donc se faire qu’en absorbant ou en libérant l’énergie séparant les deux niveaux. La quantification de l’énergie des atomes fut ensuite rapidement étendue aux molécules. En 1917, Albert Einstein combina les travaux de Bohr et les siens sur les quanta de lumière pour parvenir à plusieurs conclusions. Tout d’abord que ces grains d’énergie possédent une quantité de mouvement et qu’ils se comportent donc bien, à plusieurs égards, comme des particules. Surtout, il existe des processus d’émission et d’absorption de la lumière gouvernés par des lois de probabilités. De cette manière, Einstein pouvait déduire la loi du rayonnement du corps noir de Planck à partir de la théorie atomique de Bohr et il posait au passage les fondements de l’effet laser.

Appelés photons en 1926 par le physicien et chimiste Gilbert Lewis, les quanta d’énergie d’Einstein sont indivisibles et leur énergie E est donnée par le produit de la fameuse constante de Planck h par la fréquence de la lumière ν. Lorsqu’ils ont la bonne fréquence, ils permettent à des électrons de sauter entre les niveaux d’énergie discrets des atomes et des molécules.

En 1931, dans sa thèse, la physicienne Maria Goeppert Mayer fit pour la première fois la prédiction d’un phénomène qui n’avait jamais été observé. Des molécules doivent pouvoir absorber simultanément deux photons, pas nécessairement de la même fréquence, quand la somme de leurs énergies est égale à la différence entre deux niveaux d’énergie de la molécule. Il s’agissait d’un processus d’optique quantique fin non linéaire, faible quand la lumière est peu intense, et inversement. Il a fallu attendre les années 1950, et surtout 1960 avec la création des premiers lasers, pour montrer que la prix Nobel avait raison.

Interaction lumière-matière

Le monde quantique est déroutant pour notre intuition. Une bonne manière de l’explorer est d’étudier les interactions entre matière et lumière, c’est-à-dire photons et atomes. Historiquement, c’est d’ailleurs de cette façon qu’a été découverte la théorie quantique.

Par la suite, l’étude des processus dit multiphotoniques à plus de deux photons et avec aussi des émissions, et pas seulement des absorptions, va se développer, notamment en spectroscopie et microscopie de fluorescence à deux photons en biologie. L’émission à deux photons est de plus un procédé important pour générer des photons intriqués dans le domaine de l’information quantique. Un groupe de physiciens vient en quelque sorte de prendre le contrepied de l’idée de processus multi-photonique, comme ils l’expliquent dans un article déposé sur arXiv.

Au lieu de faire intervenir un atome et plusieurs photons en interaction, que se passerait-il avec un seul photon et deux atomes ? Pourrait-il être absorbé par les deux atomes en même temps ?

L’idée semble de prime abord contre-intuitive mais bien dans l’esprit du monde quantique. La superposition des états y autorise que, quelquefois, une particule semble se trouver dans deux endroits à la fois. Elle n’est pas si magique, en fait. Les transitions atomiques dans les deux atomes, par exemple lorsqu’un électron saute de son état de plus basse énergie à un état plus élevé, peuvent en effet être telles que la somme des énergies de transition soit égale à celle du photon. C’est donc un peu comme si malgré tout un photon pouvait, dans certaines situations, se diviser.

Maria Goeppert Mayer

La prix Nobel de physique Maria Goeppert Mayer (1906-1972) a apporté des contributions fondamentales à la physique nucléaire. Elle a travaillé sur le projet Manhattan ainsi que sur celui de la bombe H états-unienne. Mais elle s’était d’abord fait connaître par une thèse dans laquelle elle prévoyait l’existence d’un processus à deux photons dans des systèmes atomiques.

L’expérience n’a pas encore été réalisée mais les calculs des chercheurs, sauf erreur, ne laissent pas de doute sur son résultat. Une réalisation possible, celle analysée, consisterait à disposer de deux atomes dans une cavité du genre de celle utilisée pour les expériences d’électrodynamique quantique. Cette cavité QED, comme l’appellent les physiciens, a des parois réfléchissantes de sorte que s’y maintiennent des ondes électromagnétiques stationnaires, avec des modes de longueurs d’onde, et donc de fréquences, connus. Selon les calculs, quand la fréquence de ces modes est double de celle d’un photon et que celle-ci est elle-même le double de celle d’une même transition atomique dans deux atomes identiques, alors ces deux atomes peuvent effectivement absorber simultanément un seul photon. Le processus inverse, l’émission, est aussi possible ainsi, avec trois atomes ou plus pourvu que le rapport entre la fréquence d’un des modes de la cavité et celle du photon soit un entier. Il serait donc de trois avec trois atomes.

L’analyse de ce nouveau processus fait intervenir les fluctuations électromagnétiques du vide quantique. Il émergerait de ces fluctuations un photon dit virtuel, car jamais directement observable et n’existant qu’une fraction de seconde. Il provoquerait l’intrication d’un photon réel avec les deux atomes. Mais ce n’est pas tout, l’état quantique obtenu serait la superposition d’un état où les deux atomes ont absorbé le photon réel et sont donc excités avec deux électrons sur des niveaux d’énergie plus élevés, et un état où l’absorption ne s’est pas produite. L’état quantique évolue alors pour donner une seule de ces deux possibilités, en accord avec les probabilités quantiques calculées.

Selon l’un des auteurs de ce travail, le physicien Salvatore Savasta, si ce processus quantique est bien réel, il pourrait avoir des implications intéressantes dans le domaine de l’information quantique, par exemple pour la cryptographie, où des qubits sont portés par des systèmes quantiques intriqués.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, la page Astronomie/Physique.

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