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Atome et photon... Enfin seuls !

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Une molécule très particulière vient de naître dans un laboratoire du Max-Planck Institut für quantenoptik, à Garching. Quatre physiciens allemands ont réussi à créer un état lié entre un atome de rubidium et un unique quantum de lumière. En clair, ils ont piégé l'atome avec un seul photon issu d'un laser. Pepijn Pinkse, Thomas Fischer, Peter Maunz et Gerhard Rempe ont tout d'abord réalisé une fontaine atomique. Des atomes de rubidium sont refroidis intensément puis propulsés vers le haut. Ralentis par la gravité, ils font alors demi-tour et retombent. Au point où leur vitesse est pratiquement nulle, les scientifiques placent un résonateur optique. Il s'agit de deux miroirs dotés d'une très grande réflectivité (plus de 99,999 % de la lumière est réfléchie), séparés de 100 microns. Là, un faisceau laser très faible traverse les miroirs de part en part afin de détecter les atomes. En effet, ces derniers sont capables d'atténuer un faisceau de lumière en absorbant les photons d'une certaine longueur d'onde. Il est donc possible de les repérer facilement. Cependant, dans le cas d'un seul atome, l'atténuation du faisceau se révèle beaucoup trop ténue pour être mesurée. C'est là qu'intervient le résonateur optique, dans lequel la lumière peut être réfléchie un très grand nombre de fois entre les deux miroirs (cent mille dans cette expérience). Les réflexions successives permettent alors d'amplifier l'atténuation et donc de la quantifier. En augmentant l'intensité du faisceau laser au moment où un atome a atteint le centre de la cavité formée par les deux miroirs, les quatre scientifiques ont pu compenser son énergie cinétique. Il s'est alors trouvé pris au piège dans le résonateur, à l'instar d'une bille lancée le long de la paroi d'un bol qui, arrivée au fond, aurait soudain vu les bords du bol s'élever, l'empêchant de ressortir. Mais comment prouver que l'atome a bien été piégé ? Tout simplement en l'observant. Si la distance entre les deux miroirs est suffisamment petite, l'énergie absorbée par l'atome est rayonnée de nouveau dans le résonateur. S'installe alors un échange périodique d'énergie entre l'atome et le champ de lumière ; échange qui provoque un déplacement de l'atome susceptible d'être suivi en temps réel. Ce système apparaît comme l'outil idéal pour explorer certaines questions fondamentales de l'interaction entre la lumière et la matière. Pour les auteurs, "cette particule piégée seule dans

Info-sciences : [http://www.infoscience.fr/articles/articles_aff.php3?Ref=422">le résonateur] pourrait aussi trouver de nombreuses applications dans le champ toujours grandissant de la communication quantique."

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• Publié dans : Physique
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