Un miroir composé d’à peine 2000 atomes

Les miroirs sont habituellement des objets macroscopiques constitués d’un très grand nombre d’atomes. Dans un article publié le 23 septembre dans la revue Physical Review Letters, et sélectionné par l’APS pour un Focus, le physicien Julien Laurat et son équipe du Laboratoire Kastler Brossel à l’Université Pierre et Marie Curie à Paris, décrivent la réalisation d’un miroir composé de seulement 2 000 atomes.

En positionnant précisément des atomes froids autour d’une nanofibre optique, les chercheurs ont pu créer les conditions nécessaires pour observer une réflexion de Bragg. La découverte de ce phénomène bien connu des physiciens par William Lawrence Bragg et son père  William Henry Bragg fut récompensée par un prix Nobel en 1915. Dans la nouvelle expérience, chaque atome réfléchit une petite portion de lumière, mais le choix de leur position  permet à une interférence constructive de se produire et d’aboutir à la réflexion d’une majorité de la lumière incidente.

« Seulement 2000 atomes dans le voisinage de la fibre ont été nécessaires, alors que les expériences précédentes, en espace libre, requéraient des dizaines de millions d’atomes pour obtenir la même réflectance. », dit Neil Corzo, postdoctorant sur cette expérience. Il ajoute : « C’est grâce au fort couplage entre atomes et photons dans notre système et au contrôle fin de la position des atomes. »

L’ingrédient clé est une nanofibre optique, une fibre de silice dont le diamètre à été réduit à 400 nm par étirement. Une grande partie de la lumière guidée voyage en dehors de la fibre dans un champ évanescent. La lumière est fortement focalisée sur toute la longueur (1 cm) de la nanofibre. Ce confinement extrême permet, en utilisant différents faisceaux lumineux tous guidés par la fibre, de piéger des chaînes d’atomes de Césium dans son voisinage. Un choix judicieux de la couleur des faisceaux permet de régler la distance entre les sites de piégeage. En ajustant cette distance à une valeur proche de la demi-longueur d’onde d’une résonance du Césium les chercheurs ont alors obtenu les conditions de Bragg.

Ce dispositif représente un pas important pour l’électrodynamique quantique guidée, avec des applications pour les réseaux de communication quantique et l’optique quantique non linéaire.

Ce résultat suit d’autres travaux présentés récemment par l’équipe, dont la réalisation d’une mémoire optique entièrement fibrée.

Pour aller plus loin

• Large Bragg reflection from one-dimensional chains of trapped atoms near a nanoscale waveguide, Physical Review Letters 117, 133603 (2016)
• APS-Physics : Strong light reflection from few atoms

Contact : Julien Laurat