Une théorie de la physique non perturbative des champs forts, pilotée par la lumière quantique.

5 septembre 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les interactions non perturbatives (c'est-à-dire les interactions trop fortes pour être décrites par la théorie dite des perturbations) entre la lumière et la matière ont fait l'objet de nombreuses études. Pourtant, le rôle que jouent les propriétés quantiques de la lumière dans ces interactions et les phénomènes qui en découlent restent jusqu’à présent largement inexplorés.

Des chercheurs de l’Institut de technologie Technion-Israël ont récemment introduit une nouvelle théorie décrivant la physique qui sous-tend les interactions non perturbatrices pilotées par la lumière quantique. Leur théorie, présentée dans Nature Physics, pourrait guider les futures expériences portant sur les phénomènes de physique des champs forts, ainsi que le développement de nouvelles technologies quantiques.

Cet article récent est le résultat d'une étroite collaboration entre trois groupes de recherche différents du Technion, dirigés par les chercheurs principaux, le professeur Ido Kaminer, le professeur Oren Cohen et le professeur Michael Krueger. Les étudiants Alexey Gorlach et Matan Even Tsur, co-premiers auteurs de l'article, ont dirigé l'étude, avec le soutien et les idées de Michael Birk et Nick Rivera.

"C'était pour nous un voyage scientifique majeur", ont déclaré les professeurs Kaminer et Gorlach à Phys.org. «Nous avons commencé à réfléchir à la génération d'harmoniques élevées (HHG) et à ses caractéristiques quantiques dès 2019. À l'époque, la lumière dans toutes les expériences HHG était expliquée de manière classique et nous voulions savoir quand la physique quantique commencerait à jouer un rôle dans ce domaine.

« Franchement, cela nous dérangeait que plusieurs phénomènes fondamentaux de la physique soient chacun expliqués par une théorie complètement différente, il n'était donc pas possible de les relier. Par exemple, HHG était basé sur une théorie qui contredisait la théorie habituellement appliquée pour calculer les émissions spontanées – chacune étant expliquée sur une base différente.

Le HHG est un processus physique hautement non linéaire qui implique une forte interaction entre la lumière et la matière. Plus précisément, cela se produit lorsque des impulsions de lumière intenses appliquées à la matière l’amènent à émettre ce que l’on appelle des harmoniques élevées de l’impulsion lumineuse intense motrice.

Depuis quelques années, le professeur Kaminer et son groupe de recherche tentent de concevoir un cadre unique basé sur la théorie quantique qui rendrait collectivement compte de tous les phénomènes photoniques, y compris le HHG. Leur premier article sur ce sujet, publié dans Nature Communications en 2020, a présenté une version proposée de ce cadre unificateur, analysant HHG dans le langage de l’optique quantique.

«Cette étude a contribué à ouvrir le domaine en plein essor des HHG quantiques», ont expliqué les professeurs Kaminer et Gorlach. «Toutefois, toutes les expériences HHG étaient pilotées par des champs laser classiques. Il semblait même qu’il ne pouvait y avoir de lumière quantique suffisamment intense pour créer du HHG. Cependant, les travaux du professeur Maria Chekhova ont montré qu'il est possible de créer une lumière quantique suffisamment intense sous une forme connue sous le nom de vide compressé brillant. Cela a motivé notre nouvelle enquête.

Dans le cadre de leur nouvelle étude, le professeur Kaminer, Gorlach et leurs collègues ont conçu un cadre complet décrivant les processus physiques des champs forts pilotés par la lumière quantique. Pour valider théoriquement leur cadre, ils l'ont appliqué au HHG, prédisant comment ce processus changerait s'il était piloté par la lumière quantique.

«Nous avons montré que, contrairement aux attentes, de nombreuses caractéristiques importantes telles que l'intensité et le spectre changent toutes suite à l'utilisation d'une source de lumière de conduite présentant des statistiques de photons quantiques différentes», ont déclaré les professeurs Kaminer et Gorlach. «L'article que nous avons rédigé prédit également des scénarios réalisables expérimentalement qui ne peuvent être expliqués autrement qu'en considérant les statistiques des photons. Ces expériences à venir auront un impact et une importance encore plus grands pour ce domaine en plein essor qu'est l'optique quantique à champ fort.»

Jusqu’à présent, les travaux menés par cette équipe de chercheurs sont purement théoriques. Leur article présente la toute première théorie des processus non perturbateurs pilotés par la lumière quantique, tout en démontrant théoriquement que l’état quantique de la lumière affecte des quantités mesurables, telles que le spectre émis.

«Notre théorie fonctionne en divisant le feu de route en l'une des deux représentations appelées distribution de Glauber généralisée ou distribution de Husimi, puis en utilisant les simulations conventionnelles du champ HHG, l'équation de Schrödinger dépendant du temps (TDSE), pour simuler séparément les parties de la distribution, avant de combiner les simulations pour obtenir le résultat global», ont déclaré les professeurs Kaminer et Gorlach.

"Cette connexion des outils standards de la communauté dans un tel schéma de calcul d'optique quantique est ce qui a rendu notre travail puissant et utile, applicable à un état quantique arbitraire de la lumière et à un système arbitraire d'émetteurs."

La nouvelle théorie développée par le professeur Kaminer, Gorlach et leurs collègues pourrait bientôt éclairer les études dans différents domaines de la physique. En fait, leur article envisage d’étendre l’idée au-delà du HHG, à un large éventail de processus non perturbateurs, qui peuvent tous être pilotés par des sources lumineuses non classiques.

Cette prédiction théorique pourrait bientôt être testée et validée dans un cadre expérimental. Par exemple, la théorie de l’équipe peut être directement appliquée à la génération d’impulsions attosecondes via HHG, un processus qui peut sous-tendre le fonctionnement des technologies de détection quantique et d’imagerie quantique.

À cet égard, l’équipe a publié un article théorique récent dans Nature Photonics qui proposait de contrôler les profils d’impulsions attosecondes en utilisant la nature quantique de la lumière, montrant par exemple des conditions prometteuses en utilisant un mélange de lumière classique et de lumière quantique comprimée.

De plus, leur théorie pourrait être appliquée à d’autres phénomènes basés sur la physique des champs forts, comme l’effet Compton, un processus utilisé pour générer des impulsions de rayons X.

"Nous avons récemment publié un article de suivi sur cette application dans Science Advances, qui a fini par paraître plus tôt en raison de retards dans le processus d'évaluation par les pairs", ont ajouté Kaminer et Gorlach à propos de l'effet Compton. «Nous travaillons actuellement à la réalisation de l'expérience théoriquement discutée dans notre article.»

«Un autre objectif ambitieux sera de généraliser la théorie développée au-delà du HHG et d'étudier les effets quantiques dans divers matériaux induits par une lumière intense, ce qui reliera nos nouveaux développements en optique quantique aux frontières de la physique de la matière condensée.»

Informations sur la revue : Science Advances , Nature Communications , Nature Photonics , Nature Physics

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