Illustration schématique de la spectroscopie à résolution temporelle pour la phase induite par la lumière des molécules, proposée sur la base de la nouvelle théorie quantique. Le signal d’émission est recueilli dans le détecteur après les impulsions laser qui excitent les molécules, ce qui permet d’obtenir une imagerie multidimensionnelle de la dynamique des excitons en temps réel. Crédit : Dr. Zhedong Zhang/City University of Hong Kong
Une nouvelle théorie quantique élaborée par des scientifiques de la City University of Hong Kong fournit des informations sans précédent sur la « phase induite par la lumière » de la matière, ce qui pourrait révolutionner la photonique quantique et le contrôle à température ambiante. Cette théorie fait progresser de manière significative notre compréhension de la dynamique des états excités et des propriétés optiques des molécules, améliorant les technologies de captage de la lumière et ouvrant la voie à des percées dans le domaine des communications optiques, de l’imagerie biologique et de la métrologie quantique.
Une équipe dirigée par un physicien de la City University of Hong Kong (CityU) a récemment élaboré une nouvelle théorie quantique qui explique la « phase induite par la lumière » de la matière et prédit ses nouvelles fonctionnalités. Cette nouvelle théorie pourrait révolutionner le domaine de la photonique quantique et du contrôle quantique à température ambiante. Elle ouvre également la voie à toute une série d’applications basées sur la lumière de la prochaine génération, telles que les communications optiques, l’informatique quantique et les technologies de captage de la lumière.
Les scientifiques ont découvert des phases exotiques dans la matière, en plus des phases habituelles, connues sous le nom de phases solide, liquide et gazeuse. Dans ces différentes phases, où les atomes sont disposés de manière spécifique dans l’espace, la matière peut avoir des propriétés différentes. Parmi les phases nouvellement découvertes, les phases induites par la lumière ont attiré l’attention des scientifiques au cours de la dernière décennie, car elles ont été considérées comme une plate-forme prometteuse pour de nouveaux panneaux photovoltaïques et de nouvelles plates-formes chimiques, ainsi que comme une nouvelle voie pour la technologie quantique moderne.
Zhang Zhedong (2e en partant de la droite) et son groupe de recherche à la City University of Hong Kong. Crédit : Dr. Zhang Zhedong / City University of Hong Kong
« Les processus ultrarapides des molécules photoactives, tels que le transfert d’électrons et la redistribution de l’énergie, qui se déroulent généralement à l’échelle de la femtoseconde (10-15s), revêtent une grande importance pour les dispositifs de captage de la lumière, la conversion de l’énergie et l’informatique quantique », explique le Dr Zhang Zhedong, professeur adjoint de physique à la City University, qui a dirigé l’étude. « Cependant, la recherche sur ces processus est pleine d’obscurités. La plupart des théories existantes relatives aux phases induites par la lumière sont limitées par les échelles de temps et d’énergie et ne peuvent donc pas expliquer les propriétés transitoires et les processus ultrarapides des molécules lorsque de courtes impulsions laser entrent en jeu. Cela impose une limite fondamentale à l’exploration des phases de la matière induites par la lumière ».
Pour résoudre ces difficultés, le Dr Zhang et ses collaborateurs ont développé une nouvelle théorie quantique pour les signaux optiques des phases de molécules induites par la lumière, qui est la première au monde. La nouvelle théorie, grâce à une analyse mathématique associée à des simulations numériques, explique la dynamique des états excités et les propriétés optiques des molécules en temps réel, surmontant ainsi les goulets d’étranglement résultant des théories et techniques existantes.
La nouvelle théorie intègre l’électrodynamique quantique avancée à la spectroscopie ultrarapide. Elle utilise l’algèbre moderne pour expliquer la dynamique non linéaire des molécules, ce qui jette les bases du développement d’applications technologiques de pointe pour les lasers et la caractérisation des matériaux. Elle offre ainsi de nouveaux principes pour la détection optique et la métrologie quantique.
« Ce qui est particulièrement fascinant dans notre nouvelle théorie, c’est que le mouvement coopératif d’un groupe de molécules présente un comportement ondulatoire qui se propage sur une certaine distance. Cela n’a pas été possible dans les études conventionnelles. De plus, ce mouvement collectif peut exister à température ambiante, alors qu’il n’existait auparavant qu’à des températures cryogéniques ultra-basses. Cela signifie qu’il est possible de contrôler et de détecter avec précision le mouvement des particules à température ambiante. Cela pourrait ouvrir de nouvelles frontières à la recherche, comme la chimie collective qui pourrait révolutionner l’étude de la photochimie », a déclaré le Dr Zhang.
La nouvelle théorie quantique facilite la conception des dispositifs de récolte et d’émission de lumière de la prochaine génération, ainsi que le fonctionnement et la détection des lasers. La cohérence émergeant de la coopérativité moléculaire induite par la lumière peut conduire à une émission lumineuse. Les sondes spectroscopiques de la phase de la matière induite par la lumière dans la recherche peuvent aider à exploiter les techniques de détection optique et la métrologie quantique de la prochaine génération.
À plus grande échelle, les phases induites par la lumière peuvent permettre une variété de nouvelles applications interdisciplinaires basées sur la lumière, telles que les communications optiques, l’imagerie biologique, le contrôle de la catalyse chimique et la conception de dispositifs de récolte de la lumière d’une manière efficace sur le plan énergétique.
Dans un avenir proche, les chercheurs prévoient d’explorer les phases induites par la lumière et leurs effets sur les matériaux quantiques, et de développer de nouvelles techniques spectroscopiques et de détection dans le contexte de l’enchevêtrement quantique.
Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Physical Review Letters sous le titre « Multidimensional coherent spectroscopy for molecular polaritons : Langevin approach. »
Référence : « Multidimensional Coherent Spectroscopy of Molecular Polaritons : Langevin Approach » par Zhedong Zhang, Xiaoyu Nie, Dangyuan Lei et Shaul Mukamel, 10 mars 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.103001
Le Dr Zhang est le premier auteur de cet article. Lui et le professeur Shaul Mukamel, de l’Université de Californie Irvine, sont les auteurs correspondants. Lei Dangyuan, du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de la CityU, et M. Nie Xiaoyu, qui étudie actuellement au Centre des technologies quantiques de l’Université nationale de Singapour. Les principales sources de financement de la recherche sont le Research Grants Council de Hong Kong et la National Natural Science Foundation de Chine.