Un seul électron libre se propage au-dessus de la structure en couches spéciale que les chercheurs ont conçue, à seulement quelques dizaines de nanomètres au-dessus. Au cours de son déplacement, l’électron émet des paquets discrets de rayonnement appelés « photons ». Entre l’électron et les photons qu’il émet, une connexion « d’intrication quantique » se forme. Crédit : Ella Maru Studio
Les chercheurs du Technion présentent la toute première observation du phénomène de rayonnement Cherenkov dans un espace bidimensionnel.
Les chercheurs de la Faculté de génie électrique et informatique Andrew et Erna Viterbi du Technion – Institut israélien de technologie ont présenté la toute première observation expérimentale du rayonnement Cherenkov confiné dans un espace bidimensionnel. Les résultats ont été surprenants, car ils ont établi un nouveau record pour la force de couplage du rayonnement électronique et ont révélé les propriétés quantiques du rayonnement.
Le rayonnement Cherenkov est un phénomène physique unique qui est utilisé depuis un certain nombre d’années dans l’imagerie médicale, la détection de particules et les accélérateurs d’électrons pilotés par laser. Les chercheurs du Technion ont lié ce phénomène à de futures applications potentielles en photonique
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L’étude, qui a été publiée dans Examen physique X, était dirigé par un Ph.D. étudiants Yuval Adiv et Shai Tsesses du Technion, ainsi que Hao Hu de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (aujourd’hui professeur à l’université de Nanjing en Chine). Il a été supervisé par le professeur Ido Kaminer et le professeur Guy Bartal du Technion, en collaboration avec des collègues chinois : le professeur Hongsheng Chen et le professeur Xiao Lin de l’université du Zhejiang.
L’interaction des électrons libres avec la lumière sous-tend une pléthore de phénomènes de rayonnement connus et a conduit à de nombreuses applications scientifiques et industrielles. L’un des plus importants de ces effets d’interaction est le rayonnement Cherenkov – rayonnement électromagnétique émis lorsqu’une particule chargée, telle qu’un électron, se déplace à travers un milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu spécifique.
C’est l’équivalent optique d’un boom supersonique, qui se produit, par exemple, lorsqu’un jet se déplace plus vite que la vitesse du son. Par conséquent, le rayonnement Cherenkov est parfois appelé « onde de choc optique ». Le phénomène a été découvert en 1934. En 1958, les scientifiques qui l’ont découvert ont reçu le prix Nobel de physique.
Depuis lors, pendant plus de 80 ans de recherche, l’étude du rayonnement Cherenkov a conduit au développement d’une multitude d’applications, la plupart pour les détecteurs d’identification de particules et l’imagerie médicale. Cependant, malgré l’intense préoccupation suscitée par le phénomène, l’essentiel des recherches théoriques et toutes les démonstrations expérimentales concernaient le rayonnement Tcherenkov dans l’espace tridimensionnel et basaient sa description sur l’électromagnétisme classique.
Maintenant, les chercheurs du Technion présentent la première observation expérimentale du rayonnement Cherenkov 2D, démontrant que dans l’espace bidimensionnel, le rayonnement se comporte d’une manière complètement différente – pour la première fois, la description quantique de la lumière est essentielle pour expliquer les résultats expérimentaux.
Les chercheurs ont conçu une structure multicouche spéciale permettant l’interaction entre les électrons libres et les ondes lumineuses se déplaçant le long d’une surface. L’ingénierie intelligente de la structure a permis la première mesure du rayonnement Cherenkov 2D. La faible dimensionnalité de l’effet a permis d’entrevoir la nature quantique du processus d’émission de rayonnement à partir d’électrons libres : un comptage du nombre de photons (particules quantiques de lumière) émis par un seul électron et une preuve indirecte de l’intrication des électrons avec les ondes lumineuses qu’ils émettent.
Dans ce contexte, « intrication » signifie « corrélation » entre les propriétés de l’électron et celles de la lumière émise, de sorte que la mesure de l’une renseigne sur l’autre. Il est à noter que le prix Nobel de physique 2022 a été décerné pour la réalisation d’une série d’expériences démontrant les effets de l’intrication quantique (dans des systèmes différents de ceux démontrés dans la présente recherche).
Selon Yuval Adiv : « Le résultat de l’étude qui nous a le plus surpris concerne l’efficacité de l’émission de rayonnement électronique dans l’expérience : alors que les expériences les plus avancées qui ont précédé la présente ont atteint un régime dans lequel environ un seul électron sur cent radiation émise, ici, nous avons réussi à réaliser un régime d’interaction dans lequel chaque électron émettait une radiation. En d’autres termes, nous avons pu démontrer une amélioration de plus de deux ordres de grandeur de l’efficacité de l’interaction (aussi appelée « force de couplage »). Ce résultat contribue à faire progresser les développements modernes de sources de rayonnement efficaces pilotées par électrons.
Le professeur Kaminer a commenté : « Le rayonnement émis par les électrons est un phénomène « ancien » qui fait l’objet de recherches depuis plus de cent ans et qui a été assimilé à la technologie il y a longtemps, un exemple étant le four à micro-ondes domestique. Pendant de nombreuses années, il semblait que nous avions déjà découvert tout ce qu’il y avait à savoir sur le rayonnement électronique, et ainsi, l’idée que ce type de rayonnement avait déjà été entièrement décrit par la physique classique s’est enracinée. Contrairement à ce concept, l’appareil expérimental que nous avons construit permet de révéler la nature quantique du rayonnement électronique. La nouvelle expérience qui vient d’être publiée explore la nature photonique quantique du rayonnement électronique.
Il poursuit : « L’expérience s’inscrit dans un changement de paradigme dans la façon dont nous comprenons ce rayonnement, et plus largement, la relation entre les électrons et le rayonnement qu’ils émettent. Par exemple, nous comprenons maintenant que les électrons libres peuvent s’intriquer avec les photons qu’ils émettent. Il est à la fois surprenant et excitant de voir des signes de ce phénomène dans l’expérience.
Selon Shai Tsesses, « Dans la nouvelle expérience de Yuval Adiv, nous avons forcé les électrons à se déplacer à proximité d’une surface photonique-plasmonique que j’ai planifiée sur la base d’une technique développée dans le laboratoire du professeur Guy Bartal. La vitesse des électrons a été réglée avec précision pour obtenir une grande force de couplage, supérieure à celle obtenue dans des situations normales, où le couplage est à un rayonnement en trois dimensions. Au cœur du processus, nous observons la nature quantique spontanée de l’émission de rayonnement, obtenue en paquets discrets d’énergie appelés photons. De cette façon, l’expérience jette un nouvel éclairage sur la nature quantique des photons.
Référence : « Observation of 2D Cherenkov Radiation » par Yuval Adiv, Hao Hu, Shai Tsesses, Raphael Dahan, Kangpeng Wang, Yaniv Kurman, Alexey Gorlach, Hongsheng Chen, Xiao Lin, Guy Bartal et Ido Kaminer, 6 janvier 2023, Examen physique X.
DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011002
