Une vue d’artiste de photons en déplacement dans l’espace. Le photon violet est plus énergétique donc sa longueur d’onde est plus courte que celle du photon jaune. © Nasa, Sonoma State University, Cruz deWilde, Aurore Simonnet

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La superradiance : un outil pour la technologie et la physique quantique

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Cousine de l'effet laser et issue des travaux d'Einstein et Robert Dicke sur l'émission de la lumière, la superradiance, phénomène quantique, produit une lumière bien plus intense. Des chercheurs viennent de la déclencher avec des excitons dans des boîtes quantiques. De quoi émettre de la lumière photon par photon, imaginer de nouvelles expériences ou trouver des applications dans le domaine de l'information quantique.

Les technologies quantiques de l'information nécessitent des contrôles de plus en plus fins de l'émission et de l'absorption des quanta de lumière, les photons d'Einstein. La plus emblématique de ces techniques est bien sûr celle de l'émission laser.

Comme Einstein l'avait découvert en 1917 à partir de ses travaux sur la dérivation de la loi de Planck du corps noir à partir de la théorie de l'atome de Bohr, l'émission de la lumière par des atomes peut être provoquée par un rayonnement baignant ces atomes et augmentant la probabilité des transitions atomiques des électrons sur les niveaux d'énergie. En fait, ce phénomène peut être constaté dans divers systèmes quantiques où la lumière interagit avec la lumière. On parle d'émission stimulée et c'est elle qui est à l'origine de l'effet laser.

Robert Dicke était un physicien américain dont les contributions s’étendent sur un vaste domaine, de la physique atomique à la cosmologie. Il a proposé une nouvelle théorie de la gravité et a fait des tests de la théorie de la relativité générale d’Einstein. © The Trustees of Princeton University

De l’effet laser à la superradiance

Mais le processus à l'origine de l'émission de lumière de la quasi-totalité des sources lumineuses est l'émission spontanée, comparable à la désintégration radioactive d'un noyau. Toutefois, en 1954, le grand physicien Robert Dicke, à qui on doit des travaux importants en cosmologie et concernant des tests des théories relativistes de la gravitation, a prédit à partir de ce processus un phénomène nouveau : la superradiance.

Ainsi, lorsque plusieurs émetteurs, par exemple N atomes sont regroupés dans un volume dont la taille est plus petite que la longueur d'onde de la lumière qu'ils peuvent spontanément émettre, la mécanique quantique autorise un processus où ils émettent de concert et bien plus rapidement que lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres. La vitesse de l'émission n'est alors plus proportionnelle au nombre N de sources mais à N au carré. On peut donc obtenir une source de lumière intense plus rapidement. Cela a au moins un avantage. L'énergie impliquée dans le processus total d'émission a moins le temps d'être transformée en chaleur et son taux de conversion du rayonnement est donc plus important, ce qui est bien sûr intéressant, notamment pour les Led.

Les excitons sont des quasiparticules théorisées une première fois en 1931 par le physicien russe Yakov Frenkel (1894-1952). © Wikimedia Commons, DP

Des photons au compte-goutte pour la physique quantique

La superradiance de Dicke a été observée depuis un certain temps déjà avec des émetteurs identiques, comme des atomes, mais il restait difficile de la mettre en évidence dans les solides avec des émetteurs différents comme ceux à base de semi-conducteurs qui sont justement ceux que l'on utilise dans les expériences et les technologies basées sur l'optique et l'optronique quantique. Une équipe de chercheurs français y est parvenue tout récemment. Une autre équipe de chercheurs, des Danois de l'institut Niels Bohr a quant à elle obtenu une superradiance avec des boîtes quantiques, plus précisément les excitons qu'elles contiennent, comme ils l'expliquent dans un article disponible sur arXiv.

Rappelons que les excitons, des objets bien connus dans le domaine de l'optronique, sont des quasiparticules propres à la physique de la matière condensée. Ce sont des conséquences directes des lois de la mécanique quantique dans un matériau semi-conducteur ou isolant. Sous l'action d'un photon, une paire électron-trou (le trou est une charge positive laissée par l'éjection de l'électron de sa bande d'énergie initiale) peut se former dans ces matériaux, puis migrer en restant liée par la force de Coulomb (qui exprime la force électrique s'exerçant entre deux particules chargées), en formant l'analogue d'un atome d’hydrogène.

Ce qui rend vraiment intéressante la performance des chercheurs est qu'ils ont obtenu une source de lumière qui, tout en émettant très rapidement, produit un seul photon, et ce à la demande. Cette performance pourra servir à réaliser des expériences très précises en physique quantique et à développer des technologies où la lumière serait manipulée pour ainsi dire grain par grain, par exemple pour la cryptographie quantique.

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