Des avancées récentes en physique ouvrent la voie à de nouvelles dimensions de la matière. L’équipe de l’Université de Bonn et de la RPTU a réussi à créer un gaz unidimensionnel à partir de photons, entraînant des phénomènes fascinants. Les implications de cette recherche pourraient transformer notre compréhension des états exotiques de la matière.
Que vient-il de se passer ? Des physiciens ont réussi à transformer des particules de lumière en ce qu’ils décrivent comme un « état exotique de la matière » – un gaz unidimensionnel. Ils y sont parvenus en confinant les photons dans un espace minuscule et en les refroidissant. Les résultats sont pour le moins étonnants.
L’expérience, menée par des équipes de l’Université de Bonn et de la RPTU (Université de Kaiserslautern-Landau), s’inspire d’un phénomène courant : un tuyau d’arrosage remplit une piscine par rapport au remplissage d’une gouttière. Lorsque l’eau atteint la surface de la piscine, elle se disperse vers l’extérieur et tout changement de niveau d’eau est minime car elle se disperse transversalement. Mais si vous envoyez ce jet d’eau dans une gouttière étroite, il crée des ondes concentrées qui se propagent sur toute la longueur de la gouttière.
« Plus la gouttière est étroite, plus l’amplitude de l’onde est élevée et donc, plus elle devient « unidimensionnelle » », ont noté les chercheurs.
Pour l’essentiel, les physiciens ont miniaturisé ce phénomène en créant des « gouttières microscopiques » pour contraindre la lumière à suivre un chemin unidimensionnel similaire. Leur dispositif consistait à remplir un minuscule récipient avec une solution de colorant et à le stimuler avec un laser. Les photons résultants ricochaient entre les parois réfléchissantes, perdant de l’énergie à chaque collision contre les molécules de colorant jusqu’à ce qu’ils se condensent finalement en un gaz de photons.
Il est essentiel que la dimensionnalité de cette matière photonique puisse être davantage ajustée en modifiant les surfaces réfléchissantes à l’intérieur du conteneur.
« Nous avons pu appliquer un polymère transparent sur les surfaces réfléchissantes pour créer des protubérances microscopiques », explique Julian Schulz de la RPTU. « Ces protubérances nous permettent de piéger les photons dans une ou deux dimensions et de les condenser. »
« Ces polymères agissent comme une sorte de gouttière, mais dans ce cas pour la lumière », explique Kirankumar Karkihalli Umesh, auteur principal de l’étude. « Plus cette gouttière est étroite, plus le gaz se comporte de manière unidimensionnelle. »
En parlant de comportement unidimensionnel, les chercheurs ont découvert que les règles régissant ces états exotiques de la matière différaient de celles des gaz de photons 2D traditionnels. Par exemple, les transitions de phase commencent à devenir compliquées. Dans la matière ordinaire, les matériaux subissent des changements de phase précis – pensez à l’eau qui gèle à 0 °C. Cependant, dans les dimensions inférieures, les fluctuations thermiques peuvent perturber ce processus.
« Les fluctuations dites thermiques se produisent dans les gaz de photons, mais elles sont si petites en deux dimensions qu’elles n’ont pas de réel impact. Cependant, dans une dimension, ces fluctuations peuvent – au sens figuré – provoquer de grandes vagues », explique Vewinger.
On pourrait croire que les chercheurs ont transgressé les lois de la physique quantique, mais ce n’est pas le cas. Les propriétés du gaz sont toujours régies par ces lois. On les appelle « gaz quantiques dégénérés ». Ils les comparent à de l’eau, qui peut se transformer en neige fondante à basse température sans geler complètement.
L’étude reste néanmoins éclairante, car les chercheurs ont pu démontrer que les gaz de photons unidimensionnels n’ont pas de point de condensation précis. À l’avenir, ils souhaitent approfondir les phénomènes à cheval entre différentes dimensions tout en découvrant de nouvelles applications exploitant les « effets optiques quantiques ».