La recherche progresse vers l’observation du reflux quantique en deux dimensions

Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie ont superposé deux faisceaux lumineux tordus dans le sens des aiguilles d’une montre pour créer des torsions dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans les régions sombres de la superposition résultante. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Optique. Cette découverte a des implications pour l’étude des interactions lumière-matière et représente une étape vers l’observation d’un phénomène particulier connu sous le nom de reflux quantique.

“Imaginez que vous lancez une balle de tennis. La balle commence à avancer avec un élan positif. Si la balle ne heurte pas d’obstacle, vous ne vous attendez probablement pas à ce qu’elle change soudainement de direction et revienne vers vous comme un boomerang”, note Bohnishikha Ghosh, doctorante à la Faculté de physique de l’Université de Varsovie. “Lorsque vous faites tourner une telle balle dans le sens des aiguilles d’une montre, par exemple, vous vous attendez à ce qu’elle continue de tourner dans la même direction.”

Cependant, tout se complique lorsqu’au lieu d’une balle, nous avons affaire à des particules en mécanique quantique. “En mécanique classique, un objet a une position connue. Pendant ce temps, en mécanique quantique et en optique, un objet peut être dans ce qu’on appelle la superposition, ce qui signifie qu’une particule donnée peut être dans deux positions ou plus en même temps”, explique le Dr Radek Lapkiewicz, chef du laboratoire d’imagerie quantique de la faculté de physique de l’université de Varsovie.

Les particules quantiques peuvent se comporter de manière tout à fait opposée à la balle de tennis susmentionnée : elles peuvent avoir une probabilité de reculer ou de tourner dans la direction opposée pendant certaines périodes de temps. “Les physiciens appellent ce phénomène un reflux”, précise Bohnishikha Ghosh.

Refoulement en optique

Le reflux dans les systèmes quantiques n’a pas été observé expérimentalement jusqu’à présent. Au lieu de cela, cela a été réalisé avec succès en optique classique, en utilisant des faisceaux de lumière. Les travaux théoriques de Yakir Aharonov, Michael V. Berry et Sandu Popescu ont exploré la relation entre le reflux en mécanique quantique et le comportement anormal des ondes optiques à des échelles locales.

Y. Eliezer et al. observé un reflux optique en synthétisant un front d’onde complexe. Par la suite, dans le groupe du Dr Radek Lapkiewicz, le Dr Anat Daniel et al. ont démontré ce phénomène en une dimension en utilisant la simple interférence de deux faisceaux.

“Ce que je trouve fascinant dans ce travail, c’est qu’on se rend très facilement compte à quel point les choses deviennent bizarres lorsqu’on entre dans le royaume des mesures à l’échelle locale”, explique le Dr Anat Daniel.

Dans leur article « Reflux azimutal dans la lumière portant un moment angulaire orbital », des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie ont montré l’effet de reflux en deux dimensions. “Dans notre étude, nous avons superposé deux faisceaux de lumière tordus dans le sens des aiguilles d’une montre et des torsions localement observées dans le sens inverse des aiguilles d’une montre”, explique le Dr Lapkiewicz.

Pour observer le phénomène, les chercheurs ont utilisé un capteur de front d’onde Shack-Hartman. Le système, qui consiste en un réseau de microlentilles placé devant un capteur CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire), offre une sensibilité élevée pour les mesures spatiales bidimensionnelles.

“Nous avons étudié la superposition de deux faisceaux porteurs uniquement d’un moment cinétique orbital négatif et observé, dans la région sombre de la figure d’interférence, un moment cinétique orbital local positif. Il s’agit du reflux azimutal”, explique Bernard Gorzkowski, doctorant au département Imagerie Quantique. Laboratoire, Faculté de Physique.

Il convient de mentionner que les faisceaux lumineux avec une dépendance de phase azimutale (spirale) qui transportent un moment cinétique orbital ont été générés pour la première fois par Marco Beijersbergen et al. expérimentalement en 1993 en utilisant des lentilles cylindriques.

Depuis, ils ont trouvé des applications dans de nombreux domaines, comme la microscopie optique ou la pince optique, un outil permettant une manipulation complète d’objets à l’échelle micro et nanométrique, dont le créateur, Arthur Ashkin, a reçu le prix Nobel de physique 2018. Les pinces optiques sont actuellement utilisées pour étudier les propriétés mécaniques des membranes cellulaires ou des brins d’ADN ou les interactions entre cellules saines et cellules cancéreuses.

Quand les physiciens jouent à Beethoven

Comme le soulignent les scientifiques, leur démonstration actuelle peut être interprétée comme des superoscillations en phase. Le lien entre le reflux en mécanique quantique et les superoscillations des ondes a été décrit pour la première fois en 2010 par le professeur Michael Berry, physicien de l’Université de Bristol.

La superoscillation est un phénomène qui fait référence à des situations dans lesquelles l’oscillation locale d’une superposition est plus rapide que sa composante de Fourier la plus rapide. Cela a été prédit pour la première fois en 1990 par Yakir Aharonov et Sandu Popescu, qui ont découvert que des combinaisons spéciales d’ondes sinusoïdales produisaient des régions de l’onde collective qui bougeaient plus rapidement que n’importe lequel de ses constituants.

Michael Berry, dans sa publication « Faster than Fourier », a illustré le pouvoir de la superoscillation en montrant qu’en principe, il est possible de jouer la Neuvième Symphonie de Beethoven en combinant uniquement des ondes sonores avec des fréquences inférieures à 1 Hertz, des fréquences si basses qu’elles ne le feraient pas. être entendu par un humain. Ceci est cependant très peu pratique car l’amplitude des ondes dans les régions super-oscillatoires est très faible.

“Le reflux que nous avons présenté est une manifestation de changements de phase rapides, qui pourraient être importants dans les applications impliquant des interactions lumière-matière telles que le piégeage optique ou la conception d’horloges atomiques ultra-précises”, explique Bohnishikha Ghosh. En dehors de cela, la publication du groupe de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie constitue un pas dans la direction de l’observation du reflux quantique en deux dimensions, qui s’est avéré théoriquement plus robuste que le reflux unidimensionnel.