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Cavity QED at the One-Dimensional Atom Regime with Chip-Based Micro-Resonators

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Un nouveau système d'électrodynamique quantique en cavité

Le fait de confiner des atomes dans des structures minuscules (des résonateurs) dont les parois reflètent la lumière permet d'étudier expérimentalement les interactions entre la matière et la lumière à l'échelle quantique. Des scientifiques financés par l'UE ont repoussé les limites de cette méthode.

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Les cavités confinent physiquement les longueurs d'onde des photons que les atomes émettent ou absorbent. Le comportement des atomes confinés et excités apporte d'importantes informations sur les interactions entre la lumière et la matière, lesquelles font intervenir simultanément des phénomènes classiques et quantiques. L'électrodynamique quantique en cavité (QED) est devenue un important domaine d'études. L'amélioration des connaissances permettra de concevoir de nouvelles applications dans l'informatique quantique et le stockage quantique. Le projet CQODAR («Cavity QED at the one-dimensional atom regime with chip-based micro-resonators»), financé par l'UE, a mis au point un tout nouveau système de QED. Ce système couple des atomes ultra froids isolés avec des résonateurs microtoroïdaux sur puce, via une fibre optique taillée en cône. Cette technique ouvre une importante fenêtre d'observation sur les interactions entre un seul atome et un seul photon, et vise les interactions entre deux photons. Ce dispositif extrêmement perfectionné peut fournir des atomes ultra froids depuis un piège magnéto-optique dans les 200 nanomètres de la surface toroïdale. Les scientifiques ont utilisé des modulateurs électro-optiques à fibre et un équipement électronique fonctionnant à plus de 5GHz. Ainsi, ils ont pu détecter en environ 2 microsecondes la présence d'un atome et le photon émis, soit moins que la durée typique d'un transit d'atome. Les chercheurs ont conduit une étude théorique détaillée, qui a été publiée dans la revue 'Physical Review A: Atomic, Molecular and Optical Physic'. Cette étude a servi de base à deux nouvelles expériences, l'une portant sur l'optique de catastrophe (la gestion des singularités géométriques dans la répartition des rayons), et l'autre sur l'émission spontanée à partir d'un seul atome. Cette dernière a été décrite dans les Physical Review Letters. L'équipe du projet CQODAR a conçu un environnement expérimental de pointe, qui permet un contrôle extrêmement fin d'atomes ultra froids isolés afin de déterminer le comportement et les propriétés de chaque photon émis. Cette technique devrait être d'un très grand intérêt pour comprendre les interactions quantiques entre la matière et la lumière.

Mots‑clés

Atomes, résonateurs, quantum, cavités, photons, lumière, matière, QED, ultra froid, microtore, piège magnéto-optique, optique de catastrophe

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