Une nouvelle quasi-particule qui est à la fois matière et lumière est apparue dans des expériences menées par des chercheurs du City College de New York, aux États-Unis, qui l'ont observée en couplant la lumière à un empilement d'antiferromagnétiques bidimensionnels ultrafins. Les travaux pourraient avoir des implications pour des appareils comme les lasers ou pour le stockage de données numériques.
Le couplage fort de la lumière à la matière est un moyen bien connu d'ingénierie de propriétés telles que le magnétisme, la supraconductivité et la ferroélectricité dans les matériaux quantiques. Une façon d'y parvenir est de mettre en place des interactions entre des particules élémentaires et des microcavités optiques, qui sont des structures dans lesquelles la lumière est réfléchie dans les deux sens entre deux ou plusieurs miroirs.
Couplage fort de photons avec des excitons corrélés en spin
Dans le nouveau travail, des chercheurs dirigés par Vinod Menon étudié un matériau de formule chimique NiPS3. Ce matériau appartient à une famille chimique connue sous le nom de thiophosphates de métaux de transition, et les physiciens de la matière condensée le connaissent comme un isolant magnétique de van der Waals (vdW) - c'est-à-dire un matériau bidimensionnel contenant des particules fortement corrélées qui donnent naissance à une variété de phases électroniques et magnétiques.
Lorsque les chercheurs ont placé une pile de NiPS ultrafins3 couches au sein d'une microcavité optique, ils ont observé un fort couplage entre les excitons corrélés en spin (quasiparticules constituées de paires électron-trou) dans le matériau et les photons piégés entre les miroirs de la cavité. Ce couplage photon-exciton a donné naissance à un type de quasi-particule jusque-là inobservé, appelé exciton-polariton, qui possède des propriétés d'excitons, de photons et de spins.
Mi-lumière, mi-matière
Comme ces nouvelles quasi-particules sont, en fait, "en partie légères", elles se comportent comme des photons à bien des égards, dit Florian Dirnberger, qui est l'auteur principal d'un article dans Natural Nanotechnology sur le travail. "Leur partie matière, cependant, provient d'un matériau magnétique, de sorte que ses propriétés sont fortement liées à l'ordre antiferromagnétique du matériau", ajoute-t-il. "Cela donne lieu à une forte polarisation linéaire."
L'effet Josephson anormal apparaît dans un isolant topologique
Selon les chercheurs, cette approche d'interfaçage de la lumière avec des matériaux magnétiques est une voie prometteuse vers des effets magnéto-optiques efficaces qui pourraient avoir des applications dans les lasers et dans le stockage de données numériques. De plus, la nouvelle classe de quasiparticules magnétiques pourrait être utilisée pour la transduction quantique par le biais d'interactions entre des magnons à basse fréquence (oscillations collectives des moments magnétiques de spin d'un matériau), des excitons à haute fréquence et la lumière visible.
Les membres de l'équipe disent qu'ils prévoient maintenant d'étendre leur étude pour tenter de mieux comprendre le rôle du vide électrodynamique quantique lorsque des matériaux quantiques sont placés dans des cavités optiques. Ils espèrent réaliser de nouvelles phases quantiques de la matière qui n'ont pas d'équivalent dans le régime classique (équilibre thermodynamique).
