Polaritons: une nouvelle particule hybride ni électrons, ni photons

Lorsqu'on pense aux propriétés des matériaux ou des réactions chimiques, on pense aux atomes ou aux molécules qui les composent et non à leur environnement électromagnétique. Pourtant, les charges électromagnétiques ou les rayons lumineux de l'environnement influencent le comportement d'un matériau ou d'une réaction et peuvent en modifier les propriétés. C'est l'idée à la base de la science polaritonique, qui consiste à contrôler l'environnement des matériaux ou des réactions chimiques en exploitant les fluctuations quantiques du vide.


Bien que ces fluctuations sonnent comme de la science-fiction, elles constituent un phénomène bien réel et assez simple à comprendre. Tout le monde a déjà entendu parler du principe d'incertitude, au moins dans sa version populaire du chat à la fois mort et vivant. Plus rigoureusement, le principe d'incertitude implique que toutes les propriétés d'un système ne peuvent être déterminées parfaitement. Le même principe s'applique également au vide électromagnétique (l'absence de photons), qui ne peut être entièrement, précisément déterminé. Puisqu'il y aura toujours une certaine fluctuation de la densité de photons dans le vide, on ne peut assurer avec certitude l'absence de photons. C'est une propriété fondamentale de notre univers !

Ces fluctuations quantiques sont omniprésentes et souvent négligeables, mais peuvent être amplifiées à un niveau extrême par exemple en utilisant des microcavités dont les parois sont réfléchissantes (des miroirs). Pourquoi cela est-il intéressant ? Ces fluctuations peuvent être exploitées pour le développement d'applications innovantes en chimie, en physique et en électronique. En effet, en présence de telles fluctuations, la matière et les photons ne peuvent plus être décrits l'un sans l'autre, faisant émerger de nouvelles particules hybrides - les ''polaritons''. Lorsque cela se produit, les propriétés individuelles des molécules sont altérées, mais également leur comportement collectif. Il est possible d'exploiter ces deux types de modifications, par exemple en chimie polaritonique, pour diminuer, lors d'une réaction chimique, la quantité de certains produits non désirables, parce que toxiques ou dommageables pour l'environnement, ou encore pour augmenter le rendement de produits d'intérêts difficiles à synthétiser. Au niveau des matériaux, l'émergence des polaritons produit des effets remarquables sur la conductivité électrique des semiconducteurs. Il devient également possible de contrôler dynamiquement la couleur de certains matériaux.

Finalement, cette avancée en science fondamentale et les nouvelles applications qui en découlent mettent en relief la pertinence de considérer à la fois les molécules et leur environnement électromagnétique. Le contrôle des fluctuations pour le développement d'applications dites ''polaritoniques'' constitue un nouvel outil pour l'avancement technologique et industriel. Les polaritons sont à la base de nouvelles technologies excitantes comme les lasers polaritoniques et peuvent servir pour la fabrication de circuits optoélectroniques, où les électrons et les photons sont utilisés en même temps, grâce à la nature hybride des polaritons. Il est encore tôt pour dire exactement quelles seront les retombées des applications polaritoniques, mais chose certaine, ce nouveau domaine connaît un développement explosif et devrait permettre la conception de technologies avec des fonctionnalités nouvelles, qui auraient été autrement impensables.