Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à capturer la double nature de la lumière – particule et onde – dans une seule image de microscope électronique.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient jamais réussi à capturer une image de la lumière sous forme de particule ou d’onde, mais jamais les deux en même temps. Mais une équipe de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, a réussi à surmonter les obstacles qui entravaient les expériences précédentes en utilisant des électrons pour obtenir une image de la lumière dans cet état très étrange.
La clé de leur succès réside dans la conception inhabituelle de leur expérience. Ils envoient d’abord une impulsion de lumière laser sur un seul brin de nanofil suspendu à un morceau de film de graphène. Le nanofil vibre alors et des particules de lumière – ou photons – sont envoyées le long du fil dans deux directions possibles. Lorsque les particules de lumière qui se déplacent dans des directions opposées se rencontrent et se chevauchent sur le fil, elles forment une onde. Connu sous le nom d'”onde stationnaire”, cet état crée de la lumière qui rayonne autour du nanofil.
Jusqu’ici tout va bien, mais cela ne vous donne pas une image des deux états lumineux. Les scientifiques ont compris qu’en envoyant un flux d’électrons dans la zone proche du nanofil, ils pouvaient forcer une interaction entre les électrons et la lumière qui avait été confinée sur le nanofil.
Cette interaction a provoqué l’accélération ou le ralentissement des électrons. L’équipe a utilisé un microscope électronique ultrarapide pour capturer ce moment précis et visualiser l’onde stationnaire, “qui agit comme une empreinte digitale de la nature ondulatoire de la lumière”, explique le communiqué de presse. En publiant ses résultats dans Nature Communications, l’équipe explique comment cette collision entre les photons et les électrons, et le changement de vitesse qui en résulte pour les électrons, apparaît comme un échange d’énergie, qui peut être visualisé par le microscope.
La partie supérieure de l’image représente donc l’onde stationnaire, tandis que la partie inférieure montre l’emplacement des photons.
“Cette expérience démontre que, pour la toute première fois, nous pouvons filmer directement la mécanique quantique – et sa nature paradoxale”, a déclaré l’un des membres de l’équipe, le physicien Fabrizio Carbone, dans un communiqué de presse. “Être capable d’imager et de contrôler les phénomènes quantiques à l’échelle du nanomètre comme cela ouvre une nouvelle voie vers l’informatique quantique.”
L’équipe suisse a mis au point une adorable petite vidéo expliquant leur expérience. Imaginez qu’à chaque fois que la lumière apparaît sous forme de particules, elle émet ces petits bruits bizarres. Un vrai cauchemar.