Détecter la naissance et la mort d'un phonon

Les phonons sont des unités discrètes d'énergie vibratoire prédites par la mécanique quantique qui correspondent à des oscillations collectives d'atomes à l'intérieur d'une molécule ou d'un cristal. Lorsque de telles vibrations sont produites par la lumière interagissant avec un matériau, l'énergie vibratoire peut être transférée entre des phonons individuels et des paquets individuels d'énergie lumineuse, les photons. Ce processus est appelé l'effet Raman.

Dans une nouvelle étude, le laboratoire de Christophe Galland à l'Institut de physique de l'EPFL a développé une technique permettant de mesurer, en temps réel et à température ambiante, la création et la destruction de phonons individuels, ouvrant des possibilités passionnantes dans divers domaines tels que la spectroscopie et les technologies quantiques.

La technique utilise des impulsions laser ultra-courtes, qui sont des flashs de lumière qui durent moins de 10^-13 secondes (moins d’un millionième de millionième de seconde). D'abord, une telle impulsion est envoyée sur un cristal de diamant pour exciter un seul phonon à l'intérieur. Lorsque cela se produit, un photon partenaire est créé à une nouvelle longueur d'onde grâce à l'effet Raman et est observé avec un détecteur spécialisé, annonçant le succès de l'étape de préparation.

Deuxièmement, pour interroger le cristal et sonder le phonon nouvellement créé, les scientifiques envoyent une autre impulsion laser dans le diamant. Grâce à un autre détecteur, ils enregistrent maintenant les photons qui ont réabsorbé l'énergie de la vibration. Ces photons sont des témoins que le phonon était encore en vie, ce qui signifie que le cristal vibrait encore avec exactement la même énergie.

Ceci est en contradiction flagrante avec notre intuition : nous avons l'habitude de voir des objets qui vibrent perdre progressivement leur énergie au fil du temps, comme une corde de guitare dont le son s'estompe. En mécanique quantique, cependant, c'est "tout ou rien": le cristal vibre avec une énergie spécifique, ou est dans son état de repos, sans état autorisé entre les deux. La décroissance du phonon dans le temps est donc observée comme une diminution de la probabilité de le trouver dans l'état excité au lieu d’être tombé à l'état de repos.

Grâce à cette approche, les scientifiques ont pu reconstituer la naissance et la mort d'un seul phonon en analysant la sortie des deux détecteurs de photons. "Dans le langage de la mécanique quantique, l'acte de mesurer le système après la première impulsion crée un état quantique bien défini du phonon, qui est sondé par la seconde impulsion", explique Christophe Galland. "Nous pouvons donc mesurer la probabilité de survie des phonons avec une résolution temporelle très fine en changeant le délai entre les impulsions, de zéro à quelques millionièmes de millionième de seconde (10^-12 secondes, ou picosecondes)."

La nouvelle technique peut être appliquée à de nombreux types de matériaux, de gros cristaux à des molécules uniques. Il peut également être affiné pour créer des états quantiques vibratoires plus exotiques, tels que des états intriqués dans lesquels l'énergie est "délocalisée" sur deux modes vibratoires. Et tout cela peut être réalisé dans des conditions ambiantes, soulignant que des phénomènes quantiques exotiques peuvent se produire dans notre vie quotidienne - nous devons juste observer très vite.