Une nouvelle théorie quantique explique la “phase induite par la lumière” de la matière

Les phases induites par la lumière, un groupe de phases récemment découvertes, ont suscité beaucoup d’intérêt de la part des scientifiques au cours des dix dernières années, car on pense qu’elles offrent une plate-forme viable pour de nouveaux panneaux solaires, de nouvelles plates-formes chimiques et une nouvelle voie pour les technologies quantiques contemporaines. .

Une équipe de la City University of Hong Kong (CityU) dirigée par un physicien a récemment créé une nouvelle théorie quantique qui explique la « phase induite par la lumière » de la matière et prévoit ses fonctions révolutionnaires. La nouvelle théorie pourrait modifier complètement le domaine de la photonique quantique et du contrôle quantique à température ambiante. Il rend également possible plusieurs technologies futures basées sur la lumière, notamment les communications optiques, l’informatique quantique et la récupération de la lumière.

Pour les dispositifs de collecte de lumière, la conversion d’énergie et l’informatique quantique, les activités ultrarapides des molécules photoactives, telles que le transfert d’électrons et la redistribution d’énergie, se produisant généralement à l’échelle femtoseconde (10-15 s), sont de la plus haute importance.

Cependant, il existe de nombreuses inconnues dans les études sur ces processus. Étant donné que la plupart des théories sur les phases induites par la lumière sont contraintes par des échelles de temps et d’énergie, elles ne peuvent pas expliquer comment les impulsions laser courtes affectent les caractéristiques transitoires et les processus ultrarapides des molécules. Celles-ci imposent une restriction essentielle à l’étude des phases de la matière induites par la lumière.

Pour surmonter ces défis, le Dr Zhang et ses collègues ont créé la toute première théorie quantique unique pour les signaux optiques des phases induites par la lumière des molécules. La nouvelle théorie contourne les limites des théories et méthodes antérieures en utilisant une analyse mathématique et des simulations numériques pour expliquer la dynamique des molécules dans leurs états excités et leurs propriétés optiques en temps réel.

La nouvelle théorie combine la spectroscopie ultrarapide avec l’électrodynamique quantique de pointe. Il explique la dynamique non linéaire des molécules à l’aide de l’algèbre contemporaine, jetant les bases d’applications techniques de pointe pour les lasers et la caractérisation des matériaux. Ainsi, il présente de nouveaux principes de détection optique et de métrologie quantique.

Le Dr Zhang Zhedong, professeur adjoint de physique à CityU, qui a dirigé l’étude, a déclaré : « Ce qui est particulièrement fascinant dans notre nouvelle théorie, c’est que le mouvement coopératif d’un groupe de molécules montre un comportement ondulatoire, qui se propage sur une distance. Ceci n’était pas réalisable dans les études conventionnelles. Et ce mouvement collectif peut exister à température ambiante au lieu de seulement à une température cryogénique ultra basse auparavant. Cela signifie qu’un contrôle et une détection précis du mouvement des particules peuvent être réalisables à température ambiante. Cela pourrait ouvrir de nouvelles frontières de recherche, telles que la chimie collective, qui pourraient potentiellement révolutionner l’étude de la photochimie.

Le développement de dispositifs de collecte et d’émission de lumière de nouvelle génération, ainsi que le fonctionnement et la détection laser, est facilité par la nouvelle théorie quantique. L’émission de lumière vive peut résulter de la cohérence de la coopérativité moléculaire provoquée par la lumière. Les sondes spectroscopiques de la phase induite par la lumière de la matière peuvent être utilisées pour tirer parti de la métrologie quantique et des technologies de capteurs optiques de nouvelle génération.

À plus grande échelle, les phases induites par la lumière peuvent permettre diverses nouvelles applications interdisciplinaires basées sur la lumière, telles que les communications optiques, l’imagerie biologique, le contrôle de la catalyse chimique et la désignation de dispositifs de collecte de lumière de manière économe en énergie.

Dans un futur proche, les chercheurs prévoient d’explorer les phases induites par la lumière et leur effet sur les matériaux quantiques et de développer de nouvelles techniques spectroscopiques et de détection dans le contexte de l’intrication quantique.

Référence de la revue :

1. Zhedong Zhang, Xiaoyu Nie, Dangyuan Lei et Shaul Mukamel. Spectroscopie Cohérente Multidimensionnelle des Polaritons Moléculaires : Approche de Langevin. Lettres d’examen physique. EST CE QUE JE: 10.1103/PhysRevLett.130.103001