La relaxation d'énergie dans des états hybrides lumière-matiere
Des scientifiques de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en collaboration avec l’Université de Gothenburg ont détecté en temps-réel les échanges d’énergies entre des états hybrides lumière-matière. Leurs résultats offrent une vision unique des processus dynamique impliquant des états hybrides et sont prometteurs de nouvelles applications.
En insérant des molécules dans une nanocavité optique, sous certaines conditions, de nouveaux états hybrides lumière-matière apparaissent, appelés polaritons. Les polaritons sont déjà considérés dans des applications telles que les ordinateurs quantiques, ou le contrôle des réactions chimiques.
Le polariton émerge de l’échange d’énergie entre le champ optique et les états de la matière (dans ce cas les molécules) identique à l’échange d’énergie entre deux pendules couplés. Cela donne lieu à une modification des propriétés optiques du système molécule-cavité. Ces dernières propriétés peuvent être modifiées à souhait par le choix de la nanocavité et la manière dont la lumière s’y couple.
La compréhension des processus de redistribution d’énergie entre états polaritoniques est cruciale en vue de leurs nombreuses applications. Dans un nouvel article paru dans Communications Physics-Nature, l’équipe de Majed Chergui du Lausanne Centre for Ultrafast Science (LACUS), en collaboration avec le groupe de Karl Börjesson à l’Université de Gothenburg, est parvenu à suivre en temps réel les canaux de relaxation de l’énergie dans des états hybrides lumière-matière d’un système constitué de molécules dans une nanocavité. Ils ont ainsi démontré comment l’énergie déposée dans l’état polaritonique de plus haute énergie passe à celui de plus basse énergie en quelques dizaines de femtosecondes. Ces résultats ont été obtenus par une méthode de pointe, dite de spectroscopie multidimensionnelle qui est un analogue optique de la résonance magnétique nucléaire, RMN). Elle permet de circonvenir au fameux problème de l’incertitude temps-énergie en spectroscopie et est donc particulièrement adaptée à l’étude des états hybrides. Ces résultats vont sans aucun doute susciter de nouvelles études et applications.
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Lars Mewes, Mao Wang, Rebecca A. Ingle, Karl Börjesson, Majed Chergui. Energy relaxation pathways between light-matter states revealed by coherent two-dimensional spectroscopy. Communications Physics 11 September 2020. DOI: 10.1038/s42005-020-00424-z