Grâce aux ondes de matière, les scientifiques dévoilent de nouveaux comportements collectifs en optique quantique

Une équipe de recherche dirigée par Dominik Schneble, Ph.D., professeur au Département de physique et d’astronomie, a découvert un nouveau régime, ou un ensemble de conditions au sein d’un système, pour les phénomènes radiatifs coopératifs, jetant un nouvel éclairage sur une histoire de 70 ans. vieux problème en optique quantique.

Leurs découvertes sur des effets d’émission spontanée collective inédits, dans un ensemble d’atomes synthétiques (artificiels), sont publiées dans Physique naturelleaccompagné d’un article théorique en Recherche sur l’examen physique.

L’émission spontanée est un phénomène dans lequel un atome excité tombe dans un état d’énergie inférieure et émet spontanément un quantum de rayonnement électromagnétique sous la forme d’un photon unique. Lorsqu’un seul atome excité se désintègre et émet un photon, la probabilité de trouver l’atome dans son état excité tombe de façon exponentielle jusqu’à zéro à mesure que le temps passe.

En 1954, le physicien RH Dicke de Princeton s’est penché sur ce qui se produit lorsqu’un deuxième atome non excité est placé à proximité immédiate. Il a fait valoir que la probabilité de trouver un atome excité tomberait étonnamment à seulement la moitié. Le système excité se compose de deux scénarios simultanés, l’un dans lequel les atomes sont en phase, conduisant à une émission plus forte (appelée superradiance), et l’autre dans lequel ils sont en phase opposée, lorsqu’aucune émission ne se produit (sous-radiance). Lorsque les deux atomes sont initialement excités, la désintégration devient toujours superradiante.

Schneble et ses collègues ont utilisé une plate-forme d’atomes ultrafroids dans une géométrie de réseau optique unidimensionnelle pour mettre en œuvre des réseaux d’émetteurs quantiques synthétiques qui se désintègrent en émettant des ondes lentes de matière atomique. En revanche, les processus conventionnels émettent des photons se déplaçant à la vitesse de la lumière. Cette différence leur a permis d’accéder à des phénomènes radiatifs collectifs dans des régimes inédits.

En préparant et en manipulant des réseaux d’émetteurs hébergeant des phases d’excitations à plusieurs corps en interaction faible et forte, les chercheurs ont démontré l’émission collective directionnelle et étudié l’interaction entre le retard et la dynamique super et subradiante.

“Les idées de Dicke sont d’une grande importance dans la science et la technologie de l’information quantique (QIST). Par exemple, des efforts intenses sont déployés pour exploiter la superradiance et la subradiance dans des réseaux d’émetteurs quantiques couplés à des guides d’ondes unidimensionnels”, explique Schneble, également membre de Centre de traitement quantique distribué (CDQP) de Stony Brook.

“Dans notre travail, nous sommes capables de préparer et de manipuler des états subradiants avec un contrôle sans précédent. Nous pouvons arrêter l’émission spontanée et observer où le rayonnement se cache dans le réseau. À notre connaissance, il s’agit d’une première démonstration de ce type”, explique Schneble.

Les travaux de l’équipe de Stony Brook, qui comprenait deux anciens doctorants. étudiants Youngshin Kim et Alfonso Lanuza, fournit de nouveaux aperçus de certains concepts fondamentaux de l’optique quantique.

Schneble explique que dans la théorie de Dicke, les photons ne jouent pas de rôle actif puisqu’ils se déplacent rapidement entre des émetteurs proches sur l’échelle de temps de la désintégration. Cependant, certaines situations peuvent briser cette hypothèse, comme dans un canal d’un réseau quantique longue distance, où un photon guidé s’échappant d’un émetteur en décomposition peut mettre beaucoup de temps pour atteindre l’émetteur voisin. C’est exactement à ce régime inexploré que les chercheurs ont pu accéder, car les ondes de matière émises dans leur système sont des milliards de fois plus lentes que les photons.

“Nous voyons comment la désintégration collective d’un état superradiant contenant une seule excitation prend du temps à se former”, explique le co-auteur Kim. “Cela n’arrive que lorsque les émetteurs voisins ont pu communiquer.”

L’équipe souligne que suivre le rayonnement lent dans un système d’émetteurs constitue un défi théorique de taille.

Le co-auteur Lanuza compare ce défi à un jeu compliqué de capture et de libération : « Un photon émis par un atome peut être capté plusieurs fois avant de s’échapper, ou même être lié à l’atome. Les règles du jeu se compliquent lorsque plusieurs les atomes et les photons participent : les atomes échangeant des photons, les photons rebondissant sur des atomes excités et les photons piégés entre les atomes ne sont que quelques-uns des processus impliqués. »

Malgré cette interaction complexe entre photons et atomes, il a pu trouver des solutions mathématiques au cas de deux émetteurs avec jusqu’à deux excitations et un couplage sous vide arbitraire. Cet aspect du travail pourrait conduire à la découverte d’autres comportements de désintégration atomique collective compliqués ou inattendus dans des expériences futures.

“Dans l’ensemble, nos résultats sur la dynamique radiative collective établissent les ondes de matière ultra-froide comme un outil polyvalent pour étudier l’optique quantique à N corps dans des systèmes spatialement étendus et ordonnés”, conclut Schneble.