Emission "super-thermique" de photons par des nanolasers couplés
Publié par Redbran le 14/05/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
En couplant deux nanolasers, des physiciens ont pu générer un système hors-équilibre émettant des bouffées de photons fortement corrélés, dits "super-thermiques". Cette approche ne se limite pas à l'émission laser mais peut être étendue à d'autres systèmes nanométriques.


Réponse simulée des nanolasers couplés sous excitation d'une impulsion courte montrant la distribution de la différence de population entre les modes et plus généralement la distribution du champ optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). © A. M. Yacomotti, C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud)

Du fait de leur faible taille, les nanolasers possèdent des propriétés remarquables, notamment une faible consommation et une faible dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...). Ils font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) de nombreuses études visant des applications diverses, des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme...) à l'information quantique. En les couplant d'une manière compacte, il est possible de réaliser une ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou...) de la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un...) émis, produisant notamment des fortes corrélations, ce qui constitue un atout pour des applications telles que la conversion non-linéaire d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit...) "fantôme" qui se développe en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de...) ou encore l'information quantique.

Lorsque le couplage entre les nanolasers est faible, on peut distinguer l'émission de chacun d'eux. En revanche, si le couplage est fort, les photons se distribuent entre deux modes, hybrides, peu sensibles aux perturbations. C'est l'échange d'énergie entre ces modes qui est étudié ici lorsque le système est excité par des impulsions lasers plus courtes que les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) caractéristiques électroniques mis en jeu. Cette excitation place le système hors équilibre. L'un de ces modes se comporte alors comme un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le...) et est soumis à des faibles fluctuations, tandis que l'autre passe sur un régime d'émission spontanée très particulier. Il émet des bouffées de photons avec une statistique dite "super-thermique": les photons ne sont pas émis un par un ou en continu, mais par bouffées où les photons sont concentrés dans des temps courts. Cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales,...) a été rendue possible par la mise en place d'un dispositif original permettant la mesure de la statistique complète des photons émis, malgré les temps très brefs mis en jeu, pour lesquels il n'existe pas de détecteurs suffisamment rapides. Les chercheurs visent désormais à obtenir ce même type de mesure avec très peu de photons, en régime quantique.

Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ne nécessite pas d'ingénierie particulière des émetteurs ni une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre modes, contrairement aux résultats connus à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...). De ce fait, l'approche peut être transposée à bien d'autres systèmes. Les chercheurs ont ainsi démontré que la statistique "super-thermique" par mise hors-équilibre d'un système, est générique. C'est le cas par exemple d'expériences sur le mouvement brownien appliqué au pollen (Le pollen (du grec palè : farine ou poussière) constitue, chez les végétaux supérieurs, l'élément fécondant mâle de la fleur : ce sont de minuscules grains de forme plus ou moins...) en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un...). Dans cette analogie, les grains de pollen et leur énergie potentielle sont assimilables aux photons. Le système est mis hors-équilibre grâce à une brutale chute de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...). Nous observons alors que le mouvement des grains suit également une statistique "super-thermique".

L'étude des systèmes nanométriques et à faible nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de photons hors-équilibre, encore balbutiante, s'avère donc particulièrement prometteuse. Ce travail, publié dans la revue Physical Review X par une équipe de physiciens du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud) a été réalisé en collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) des îles Baléares.

Référence publication:
Far-from-equilibrium route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) to superthermal light in bimodal nanolasers
M. Marconi, J. Javaloyes, P. Hamel, F. Raineri, A. Levenson et A. M. Yacomotti
Physical review X (2018), doi:10.1103/PhysRevX.8.011013

Contact chercheur:
Alejandro M. Yacomotti, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud/Université Paris-Saclay)
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