Comportement émergent observé en soi

Sep 25, 2023

18 janvier 2023

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par Sam Sholtis, Université d'État de Pennsylvanie

Les particules de lumière - les photons - qui sont forcées d'interagir les unes avec les autres à travers un verre spécialement structuré démontrent un comportement évocateur de "l'effet Hall quantique fractionnaire", un phénomène qui a remporté le prix Nobel de physique en 1998 lorsqu'il a été démontré avec des électrons. Une équipe de chercheurs de Penn State a maintenant démontré que le mouvement de la lumière d'un laser extrêmement puissant devient "fractionné" lorsqu'il traverse le verre, une propriété émergente qui ajoute à notre compréhension fondamentale de la physique qui émerge d'environnements complexes.

"Les électrons sont des particules chargées et leur charge est une constante fondamentale de la nature", a déclaré Mikael Rechtsman, professeur agrégé de physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Dans l'effet Hall quantique fractionnaire, il a été démontré que les électrons interagissant les uns avec les autres dans certaines conditions se comportent comme des particules avec une certaine fraction de cette charge et peuvent potentiellement être utilisés pour un calcul quantique plus robuste. Nous avons maintenant démontré un phénomène qui, bien que fondamentalement distincte de la version électronique, suggère qu'un autre type de fractionnement peut se produire avec la lumière qui interagit avec elle-même."

Contrairement aux électrons, les photons n'interagissent normalement pas entre eux car ils n'ont aucune charge. Cependant, si vous avez un laser suffisamment puissant et que vous le faites passer à travers un matériau qui répond à cette puissance, les photons se comportent comme s'ils interagissaient puisque le matériau médiatise efficacement l'interaction entre eux. En d'autres termes, les photons s'influencent mutuellement en influençant le matériau. Les chercheurs conçoivent le matériau - du verre spécialisé avec un réseau de "guides d'ondes" à structure complexe qui le traversent comme des fibres optiques - de sorte que les photons s'agglutinent en objets appelés "solitons".

"Normalement, la lumière d'un laser se propage - ou se diffracte - à partir de sa source, mais les solitons ne se diffractent pas", a déclaré Rechtsman. "Ils se propagent vers l'avant à travers le verre à quelque chose comme la vitesse de la lumière en maintenant une largeur fixe."

Les guides d'ondes sont créés avec des unités répétitives en deux dimensions. Tout d'abord, chaque guide d'ondes individuel, qui est similaire à une fibre optique, se tortille à travers le verre selon un motif de zigs et de zags qui se répètent périodiquement dans la direction de la lumière progressive. Deuxièmement, des groupes de ces fibres qui sont identiques les unes aux autres se répètent à travers le verre de chaque côté du faisceau laser.

Dans des travaux antérieurs avec un laser relativement peu puissant, les chercheurs ont montré que lorsque les solitons se propageaient à travers le verre, ils pouvaient sauter à travers le motif des guides d'ondes en multiples de nombres entiers. Ils pourraient se déplacer vers la droite de deux unités et avancer d'une unité, ce qui serait un changement de deux sur un, ou "plus deux". Ou, par exemple, ils pouvaient sauter vers la gauche d'une unité et avancer d'une unité pour un changement de "négatif", mais le changement était toujours un nombre entier.

"Maintenant, en augmentant la puissance du laser, nous constatons des changements fractionnaires", a déclaré Rechtsman. "Ainsi, le soliton peut se déplacer d'une unité tout en avançant de deux, soit un changement de un sur deux, ou de moitié. Ce qui est intéressant, c'est que même si les électrons et les photons sont des particules complètement différentes et que les propriétés que nous mesurons sont entièrement différentes , dans les deux cas, à mesure que nous forçons les particules à interagir de plus en plus fortement, nous voyons un fractionnement. Malheureusement, sachant que cela ne va pas automatiquement améliorer les câbles à fibres optiques, mais voir cette propriété émergente dans la lumière, qui rappelle la propriété émergente vue dans les électrons, nous aide à mieux comprendre les nouveaux phénomènes émergents dans des environnements physiques complexes."

Un article décrivant les expériences apparaît le 12 janvier dans la revue Nature Physics.

Plus d'information: Marius Jürgensen et al, Pompage de Thouless fractionnaire quantifié de solitons, Nature Physics (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01871-x

Informations sur la revue :Physique naturelle

Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie