Fluctuations du personnel dans le vide

Le vide n'est pas vraiment vide - du moins pas selon les lois de la physique quantique. Selon la mécanique quantique, le vide, dans lequel il n'y a littéralement "rien" selon la conception classique, fourmille de ce que l'on appelle des rotations du personnel. Il s'agit de petites oscillations, par exemple d'un champ électromagnétique, qui sont certes égales à zéro en moyenne sur le temps, mais qui peuvent s'en écarter pendant un bref instant. Jérôme Faist, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, et ses collaborateurs sont parvenus pour la première fois à caractériser directement ces fluctuations du vide.

"Les rotations du vide du champ électromagnétique ont certes des conséquences bien visibles et font notamment qu'un atome peut émettre spontanément de la lumière", explique Ileana-Cristina Benea-Chelmus, désormais doctorante dans le laboratoire de Faist et première auteure du travail qui vient de paraître dans la revue Nature. "Les mesurer directement semble toutefois impossible au premier abord. Les détecteurs traditionnels de lumière, comme les photodiodes, sont basés sur l'absorption de particules de lumière - et donc d'énergie - par le détecteur. Or, il n'est plus possible d'extraire de l'énergie du vide, qui représente l'état énergétique le plus bas d'un système physique".

Détection électro-optique

Faist et ses collègues ont donc opté pour une mesure directe du champ électrique des fluctuations. Pour ce faire, ils ont utilisé un détecteur basé sur ce que l'on appelle l'effet électro-optique. Ce détecteur se compose d'un cristal dans lequel la polarisation (c'est-à-dire la direction d'oscillation) des ondes lumineuses peut être tournée par un champ électrique - par exemple par le champ électrique des rotations du personnel. De cette manière, ce champ électrique laisse une trace visible sous la forme de la direction de polarisation modifiée des ondes lumineuses. Deux impulsions laser très courtes (d'une fraction de billionième de seconde) sont alors envoyées à travers deux points différents du cristal, avec un léger décalage dans le temps, et leurs polarisations sont ensuite mesurées. Ces mesures permettent enfin de calculer les corrélations temporelles et spatiales entre les champs électriques existant à un moment donné dans le cristal.

Des signaux minuscules

Pour s'assurer que les champs électriques ainsi mesurés proviennent bien de fluctuations du vide et non du rayonnement thermique du corps noir, les chercheurs ont refroidi l'ensemble de l'appareillage de mesure à moins 269 degrés Celsius. À ces basses températures, il n'y a pratiquement plus de photons du rayonnement thermique dans l'appareil, de sorte que les rotations du champ électrique qui subsistent doivent provenir du vide. "Malgré cela, le signal mesuré est vraiment minuscule", reconnaît le professeur Faist de l'EPFZ, "et nous avons dû pousser à l'extrême nos capacités expérimentales de mesure des champs les plus infimes". Autre défi : les fréquences des fluctuations électromagnétiques mesurées à l'aide du détecteur électro-optique se situent dans le domaine du terahertz, soit quelques billions d'oscillations par seconde. Dans leur expérience, les scientifiques de l'ETH ont tout de même réussi à mesurer des champs quantiques avec une résolution spatiale et temporelle inférieure à une période d'oscillation de la lumière.

Mesures de rotations du personnel exotiques sous vide

Les chercheurs espèrent pouvoir utiliser leur méthode à l'avenir pour étudier des cas encore plus exotiques de rotation du personnel dans le vide. En cas d'interactions fortes entre les photons et la matière, comme celles que l'on peut produire dans les résonateurs optiques, le vide devrait, selon les calculs théoriques, être peuplé d'une multitude de photons dits virtuels. Grâce à la méthode développée par Faist et ses collaborateurs, il devrait être possible de vérifier ces prédictions théoriques.