Les matériaux à état quantique possèdent des propriétés exotiques qui défient les lois de la physique et offrent un potentiel énorme aux scientifiques, mais ils sont généralement incroyablement fragiles et nécessitent des températures extrêmement basses pour exister et fonctionner.
Cela pose un problème lorsqu'il s'agit d'utiliser au mieux ces matériaux et leurs propriétés : ils doivent être retirés des grands réfrigérateurs de laboratoire.
Nous avons franchi une nouvelle étape pour rendre cela possible.
Des chercheurs de l'Université d'État de Louisiane ont mis au point un matériau capable de présenter des anomalies quantiques à température ambiante. Il est constitué d'un film d'or mince déposé sur une puce de verre gravée de motifs microscopiques.
Un article sur ce travail a été publié dans Le magazine Nature .
La capacité de ce nouveau matériau à fonctionner à température ambiante repose sur sa capacité à se concentrer sur les photons (particules de lumière) plutôt que sur les électrons et les atomes. Ceci permet de surmonter les perturbations à l'échelle atomique qui génèrent de la chaleur.
Ce matériau est connu sous le nom de métacristal plasmonique : « plasmonique » car la lumière qui le traverse provoque des ondes d’électrons appelées plasmons, et « métacristal » car il s’agit d’un cristal créé artificiellement.
De minuscules motifs de fentes gravés dans le matériau agissent comme des atomes artificiels (méta-atomes) qui déterminent comment différents groupes de photons les traversent (comportement quantique).
« En modifiant délibérément la distribution des méta-atomes dans un métacristal plasmonique, nous pouvons déterminer systématiquement quelles statistiques quantiques peuvent circuler à travers la structure », explique le physicien Riley Dawkins.
« Notre cristal agit donc essentiellement comme un filtre statistique pour les états quantiques. ».
Cela signifie que lorsque la lumière pénètre dans la puce et traverse la surface en or, elle est exposée à des méta-atomes, et qu'en modifiant la taille, la forme et l'espacement des fentes, différents résultats finaux peuvent être obtenus au niveau quantique.
En pratique, cela signifie que certains états quantiques de la lumière peuvent être transmis avec moins de perturbations.
« Nous appelons cela un transfert stable. Ces états quantiques transportent de l'information », explique le physicien Omar Magaña-Loaiza.
« Notre cristal est capable de les distinguer et de les déplacer d'un point à un autre de manière fiable, sans avoir recours au refroidissement cryogénique. Ceci ouvre la voie à des technologies quantiques pratiques. ».
Cela pourrait servir, par exemple, à transmettre de manière fiable des informations quantiques sans recourir à des températures extrêmement basses. Il ne s'agit encore que d'une découverte expérimentale préliminaire, mais elle démontre la solidité des fondements scientifiques de cette méthode.
« L’un des aspects les plus passionnants de ce projet a été de réaliser que nous pouvions créer un matériau capable de faire quelque chose que la nature elle-même ne peut pas faire », explique le physicien Chenglong Yu.
« C’était incroyablement gratifiant de voir que tout fonctionnait exactement comme nous l’avions prévu. ».
Les chercheurs affirment que les méthodes utilisées ici peuvent être étendues à d'autres matériaux. Leur étude sert de modèle à d'autres équipes de recherche, qui pourront ajuster la taille et l'espacement des fentes afin de modifier les propriétés du cristal et son traitement de la lumière.
La lumière est par nature quantique : différents types de lumière (du laser à l’ultraviolet) possèdent des propriétés différentes. Si le comportement quantique des matériaux à température ambiante a déjà été observé, il s’agit de sa première démonstration dans une puce de tri de lumière aussi avancée.
Plus généralement, le comportement non conventionnel des matériaux quantiques promet des applications dans l'informatique, les communications (y compris un internet quantique) et l'énergie, par exemple en extrayant davantage d'énergie de la lumière solaire grâce aux panneaux solaires.
La prochaine étape de leurs recherches consistera à étudier l'angle d'inclinaison des cellules solaires. À cette fin, ils prévoient d'utiliser leur nouveau métacristal plasmonique pour mieux diriger la lumière incidente et réduire les pertes sous forme de chaleur.
À propos du sujet : La lumière accélère généralement les processus. Or, des scientifiques viennent d'observer le phénomène inverse dans le monde nanométrique.
« Pour moi, il ne s’agissait pas simplement d’un projet, mais d’un effort collectif construit autour de l’idée de créer quelque chose de complètement nouveau dans le domaine des technologies quantiques », explique la physicienne Jannatul Ferdows.
« Ce qui était vraiment passionnant, c'était que nous ne nous contentions pas de créer une nouvelle classe de matériaux quantiques fonctionnant à température ambiante, mais que nous développions également une théorie pour comprendre et contrôler leur comportement. ».
Les résultats de l'étude ont été publiés dans Le magazine Nature .
Cet article a été vérifié par Rebecca Dyer et corrigé par Michael Irving. Malgré notre rigueur, l'erreur est humaine. Si vous repérez une erreur, merci de nous le signaler.
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