Des chercheurs allemands sont parvenus à influencer le comportement d'un faisceau lumineux à l'aide d'une seule molécule organique et d'une poignée de photons. Une expérience qui donne un peu plus de réalité physique aux combats au sabre laser de la saga Star Wars. Plus sérieusement, cette première mondiale pourrait aussi aider au développement de transistors nano-optiques pour ordinateurs photoniques.
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C'est dans le secret d'un laboratoire du Max Planck Institute for the Science of Light (Allemagne), qu'une équipe de chercheurs a réussi à observer des effets d'optique non linéaire, partant d'une unique moléculemolécule médiatrice et de faisceaux de lumièrelumière - des faisceaux laser plus exactement - composés de quelques photonsphotons seulement. En d'autres mots, ces chercheurs sont parvenus à influencer et à modifier le parcours d'un faisceau lumineux à l'aide d'une seule molécule organique, soigneusement sélectionnée, et d'une poignée de photons. Une première mondiale !

Pour mieux comprendre la prouesse, il est peut-être utile de rappeler que, selon les lois de la physique, les faisceaux lumineux s'entrecroisent toujours sans heurts ni étincelles. C'est du moins le cas dans le monde classique dit de l'optique linéaire. De quoi rendre totalement impossible les combats au sabre laserlaser que se livrent les chevaliers Jedi dans la saga Star Wars.

Dans le monde de l'optique non linéaire cependant, un support matériel peut se transformer en médiateur entre les photons, de façon à ce qu'un faisceau laser puisse agir sur un autre faisceau laser. L'ennui, c'est que pour entrer dans le monde de l'optique non linéaire, il faut, en quelque sorte, forcer la porteporte et avoir recours à de grandes quantités de matièrematière comme médiatrices et à des faisceaux laser extrêmement intenses.

Au-delà de rendre les combats au sabre laser possibles, l'optique non linéaire pourrait avoir des applicationsapplications pratiques très intéressantes. Utiliser des photons, plutôt que des électronsélectrons, pour transmettre les informations au cœur de nos systèmes informatiques, pourrait ainsi aider à développer des ordinateursordinateurs toujours plus puissants et compacts. De plus, rendre l'optique non linéaire accessible permettrait d'envisager de concevoir les réseaux quantiques nanoscopiques dont rêvent certains.

Des molécules (petites sphères rouges) sont intégrées dans une matrice solide et refroidies à une température proche du zéro absolu. Un faisceau de commande (jaune) de faible intensité permet alors de manipuler un faisceau sonde (rose). © <em>Max Planck Institute for the Science of Light</em>

Des molécules (petites sphères rouges) sont intégrées dans une matrice solide et refroidies à une température proche du zéro absolu. Un faisceau de commande (jaune) de faible intensité permet alors de manipuler un faisceau sonde (rose). © Max Planck Institute for the Science of Light

Une drôle d’illusion optique

Pour toucher au but, l'équipe du Max PlanckPlanck Institute a tout d'abord refroidi jusqu'à quelque - 272 °C des molécules intégrées dans une matrice solidesolide. À l'aide des techniques de microscopie et de spectroscopie les plus modernes, ils ont ensuite forcé deux faisceaux laser à se focaliser et à se croiser précisément au-dessus de l'une de ces molécules. Le premier faisceau, baptisé « faisceau de commande », est destiné à modifier les propriétés optiques de la molécule. Objectif : que celle-ci devienne transparente au second faisceau, désigné sous le terme de « faisceau sonde ».

S'ils ont choisi de travailler à cette température proche du zéro absoluzéro absolu, c'est qu'elle a permis à la section efficace de la molécule (grandeur liée à la probabilité d'interaction d'une particule) d'être démultipliée, à un niveau qui dépasse même sa taille réelle. De quoi donner l'illusion d'une molécule géante, offrant de nombreuses possibilités d'interactions avec les photons du faisceau de commande. Ainsi, seuls quelques-uns d'entre eux ont suffit à effectivement modifier les propriétés optiques de la molécule. Les chercheurs en sont convaincus : l'impulsion de commande peut encore être plus faible. Selon eux, un seul photon de commande devrait, à terme, suffire et permettre de présider à la destinée d'un photon sonde.

L'équipe du Max Planck Institute poursuit donc ses travaux fondamentaux. Tout en pensant d'ores et déjà aux applications pratiques qui pourraient en découler. Les chercheurs souhaitent en effet faire de cette molécule un transistor nano-optique à intégrer dans un guide d'onde susceptible de jouer alors le rôle de câble entre différentes molécules. Un pas de géant vers l'ordinateur photonique !