Création d'un phonon unique dans les conditions ambiantes

Les atomes d'un matériau solide cristallin sont disposés selon un motif qui se répète à l’infini est qui est appelé le réseau cristallin. La structure de ce treillis détermine la plupart des propriétés mécaniques et thermiques du solide tout entier. Cependant, les atomes arrangés selon ce réseau ne sont pas immobiles mais vibrent plutôt autour de leur position centrale. Ce mouvement est généralement aléatoire, et son énergie correspond alors à la température du matériau. Mais si elle est soigneusement déclenchée, le mouvement peut se produire à l'unisson, conduisant à des milliards d'atomes se déplaçant ensemble de façon synchronisée.

L'énergie vibratoire d'une telle oscillation collective se manifeste en unités discrètes et "quantifiées" appelées phonons. Les phonons ne sont pas de "vraies" particules qui peuvent exister dans le vide, comme par exemple les électrons, mais ils se comportent comme s'ils étaient des particules et sont appelés "quasi-particules". Par exemple, tout objet vibrant ne peut gagner ou perdre de l'énergie qu'en échangeant des phonons un par un, de façon discrète, ce qui est en contradiction avec notre expérience commune de la perte continue d'énergie des objets vibrants.

Jusqu’à présent, il a été difficile d'étudier un seul phonon à la fois, car l’énergie d’un phonon est typiquement petite devant celle du mouvement thermique aléatoire des atomes ; les phonons individuels n'avaient été observés qu'à très basse température et sous vide poussé.

Dans une nouvelle expérience, des physiciens dirigés par Christophe Galland de l'Institut de physique de l'EPFL ont montré qu'un seul phonon peut être excité et détecté à température ambiante et dans l'air, rendant plus tangible le comportement quantique de la matière vibrante. Le travail, en collaboration avec le MIT, est publié dans Physical Review X.

Pour générer le phonon, les scientifiques ont tiré des impulsions laser ultra-rapides sur un cristal de diamant pour exciter son réseau atomique en vibration. Par une conception minutieuse de l'expérience, ils ont déclenché une vibration collective impliquant plus de 100 milliards d'atomes qui ont échangé de l'énergie avec des photons uniques de la lumière laser. En mesurant l'énergie échangée par cette vibration avec des photons uniques, les scientifiques ont pu prouver qu'un seul phonon avait été excité, confirmant que l'oscillation collective se comporte comme une seule particule.

"Nos travaux ouvrent des perspectives passionnantes dans l'étude des phénomènes quantiques dans d'autres matériaux et systèmes moléculaires d'origine naturelle ", ajoute M. Galland, ajoutant qu'ils "pourraient avoir des applications dans les technologies quantiques à température ambiante et ultra-rapide. ”