Hybridation moléculaire sous vide
Les interactions entre atomes et molécules sont facilitées par les champs électromagnétiques. Plus la distance entre les partenaires impliqués est grande, plus ces interactions mutuelles sont faibles. Pour que les particules puissent former des liaisons chimiques naturelles, la distance qui les sépare doit généralement être approximativement égale à leur diamètre. En utilisant un résonateur optique qui modifie fortement le vide quantique, des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) ont réussi pour la première fois à "lier" optiquement plusieurs molécules à de plus grandes distances.
Les physiciens créent ainsi expérimentalement des états synthétiques de molécules couplées, jetant ainsi les bases du développement de nouveaux états hybrides lumière-matière.
Les atomes et les molécules ont des niveaux d'énergie discrets et clairement définis. Lorsqu'ils sont combinés pour former une nouvelle molécule, les niveaux d'énergie changent. Ce processus, appelé hybridation moléculaire, se caractérise par le chevauchement des orbitales électroniques, c'est-à-dire des zones où résident généralement les électrons. Toutefois, à une échelle de quelques nanomètres, l'interaction devient si faible que les molécules ne peuvent plus communiquer entre elles.
Une équipe dirigée par le professeur Vahid Sandoghdar, directeur au LPM et chef de la division "Nano-Optique", a réussi pour la première fois à coupler des molécules séparées dans l'espace via un champ de vide modifié dans un microrésonateur optique.
À l'intérieur d'un microrésonateur plano-concave de haute qualité, c'est-à-dire entre deux miroirs d'une qualité exceptionnelle, la lumière peut être stockée pendant une longue période. Les scientifiques insèrent un microcristal d'anthracène dopé avec des molécules de colorants spécifiques dans le résonateur, qui ne mesure que quelques micromètres de diamètre. Grâce à la spectroscopie laser à haute résolution, l'équipe étudie ensuite l'interaction des molécules et leur hybridation avec le mode du résonateur. L'émergence de nouvelles caractéristiques dans le spectre résultant indique des altérations des états d'énergie moléculaires, tels que les modes dits subradiants et superradiants : Les états subradiants émettent moins fortement qu'auparavant, tandis que les états superradiants interagissent plus fortement avec la lumière.
Une conséquence notable de l'hybridation de deux molécules est qu'elles peuvent alors être élevées à l'état excité simultanément. Cela signifie qu'elles ne sont plus complètement indépendantes l'une de l'autre. Pour ce faire, deux photons sont absorbés par le résonateur. Dans ce travail, il y a pour la première fois une excitation à deux photons de deux molécules éloignées l'une de l'autre. Seul, chaque photon n'a aucun effet, mais ensemble, ils activent les deux molécules simultanément. Ni les molécules ni les photons ne peuvent agir seuls, mais en harmonie, ils y parviennent.
Sandoghdar : "Les états quantiques sont généralement très fragiles, c'est donc un défi de coupler plusieurs molécules ensemble."
"Notre travail jette les bases du développement de nouveaux états dans lesquels les particules matérielles, telles que les molécules, sont "collées" ensemble par la lumière. L'étude d'un nombre précisément défini d'émetteurs en interaction est également un élément important pour le traitement de l'information quantique et présente donc un grand intérêt pour la technologie quantique", ajoute M. Sandoghdar.
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