Principales réalisations: Ralentir et arrêter un faisceau de lumière

Lene Vestergaard Hau est une physicienne danoise qui est actuellement Professeure de Physique et de Physique Appliquée Mallinckrodt à l’Université Harvard. Elle a obtenu un doctorat de l’Université d’Aarhus. En 1999, elle a dirigé une équipe de l’Université Harvard qui, à l’aide d’un condensat de Bose-Einstein, a réussi à ralentir un faisceau de lumière à environ 17 mètres par seconde et, en 2001, a pu arrêter complètement un faisceau. Des travaux ultérieurs basés sur ces expériences ont conduit au transfert de la lumière vers la matière, puis de la matière vers la lumière, un processus ayant des implications importantes pour le chiffrement quantique et l’informatique quantique. Des travaux plus récents ont impliqué des recherches sur de nouvelles interactions entre des atomes ultracordes et des systèmes à l’échelle nanoscopique. En plus d’enseigner la physique et la physique appliquée, elle a enseigné les sciences de l’énergie à Harvard, impliquant les cellules photovoltaïques, l’énergie nucléaire, les batteries et la photosynthèse. Outre ses propres expériences et recherches, elle est souvent invitée à prendre la parole lors de conférences internationales et participe à la structuration des politiques scientifiques de diverses institutions. Elle a été conférencière principale à EliteForsk-konferencen 2013 (« Conférence sur la recherche d’élite ») à Copenhague, à laquelle ont participé des ministres du gouvernement, ainsi que des développeurs de la politique scientifique et de la recherche au Danemark. En reconnaissance de ses nombreuses réalisations, le magazine Discover l’a reconnue en 2002 comme l’une des 50 femmes les plus importantes en science.
Après avoir obtenu son baccalauréat en mathématiques en 1984, Hau a continué à étudier à l’Université d’Aarhus pour son master en physique qui a été décerné deux ans plus tard. Pour ses études de doctorat en théorie quantique, Hau a travaillé sur des idées similaires à celles impliquées dans les câbles à fibres optiques transportant la lumière, mais son travail impliquait des chaînes d’atomes dans un cristal de silicium transportant des électrons. Tout en préparant son doctorat, Hau a passé sept mois au CERN, le Laboratoire Européen de Physique des particules près de Genève. Elle a obtenu son doctorat de l’Université d’Aarhus au Danemark en 1991, mais à ce moment-là, ses intérêts de recherche avaient changé de direction. En 1991, elle a rejoint le Rowland Institute for Science à Cambridge, Massachusetts, en tant que membre du personnel scientifique, commençant à explorer les possibilités de la lumière lente et des atomes froids. En 1999, Hau a accepté un poste de chercheur postdoctoral de deux ans à l’Université Harvard. Sa formation formalisée est en physique théorique, mais son intérêt s’est déplacé vers la recherche expérimentale dans le but de créer une nouvelle forme de matière connue sous le nom de condensat de Bose–Einstein. « Hau a demandé des fonds à la National Science Foundation pour fabriquer un lot de ce condensat, mais a été rejetée au motif qu’elle était une théoricienne pour qui de telles expériences seraient trop difficiles à faire. »Sans se décourager, elle a obtenu un financement alternatif et est devenue l’une des premières rares physiciennes à créer un tel condensat. En septembre 1999, elle a été nommée Professeur de Physique Appliquée Gordon Mckay et Professeur de Physique à Harvard. Elle a également été nommée titulaire en 1999 et est maintenant Professeure de Physique Mallinckrodt et de Physique Appliquée à Harvard. En 2001, elle est devenue la première personne à arrêter complètement la lumière, en utilisant un condensat de Bose–Einstein pour y parvenir. Depuis lors, elle a produit de nombreuses recherches et de nouveaux travaux expérimentaux dans divers domaines de la physique quantique, de la photonique et a contribué au développement de nouveaux dispositifs quantiques et de nouvelles applications à l’échelle nanométrique.
Hau et ses associés de l’Université Harvard « ont démontré un contrôle exquis sur la lumière et la matière dans plusieurs expériences, mais son expérience avec 2 condensats est l’une des plus convaincantes ». En 2006, ils ont réussi à transférer un qubit de la lumière à une onde de matière et à revenir à la lumière, en utilisant à nouveau des condensats de Bose–Einstein. Les détails de l’expérience sont discutés dans la publication du 8 février 2007 de la revue Nature. L’expérience repose sur la façon dont, selon la mécanique quantique, les atomes peuvent se comporter comme des ondes ainsi que des particules. Cela permet aux atomes de faire des choses contre-intuitives, comme passer à travers deux ouvertures à la fois. Dans un condensat de Bose-Einstein, une impulsion lumineuse est comprimée d’un facteur de 50 millions, sans perdre aucune des informations qui y sont stockées. Dans ce condensat de Bose-Einstein, les informations codées dans une impulsion lumineuse peuvent être transférées aux ondes atomiques. Parce que tous les atomes se déplacent de manière cohérente, l’information ne se dissout pas en bruit aléatoire. La lumière pousse certains des quelque 1,8 million d’atomes de sodium du nuage à entrer dans des états de « superposition quantique », avec une composante de plus basse énergie qui reste en place et une composante de plus haute énergie qui se déplace entre les deux nuages. Un second laser « contrôle » écrit ensuite la forme de l’impulsion dans les ondes atomiques. Lorsque ce faisceau de commande est éteint et que l’impulsion lumineuse disparaît, la « copie matière » reste. Avant cela, les chercheurs ne pouvaient pas contrôler facilement l’information optique pendant son voyage, sauf pour amplifier le signal pour éviter la décoloration. Cette expérience de Hau et de ses collègues a marqué la première manipulation réussie d’informations optiques cohérentes. La nouvelle étude est « une belle démonstration », déclare Irina Novikova, physicienne au Collège de William et Mary à Williamsburg, en Virginie. Avant ce résultat, dit-elle, le stockage de la lumière était mesuré en millisecondes. « Ici, ce sont des secondes fractionnaires. C’est une période vraiment dramatique. »
De son potentiel, Hau a déclaré: « Pendant que la matière circule entre les deux condensats de Bose–Einstein, nous pouvons la piéger, potentiellement pendant des minutes, et la remodeler – la changer – de la manière que nous voulons. Cette nouvelle forme de contrôle quantique pourrait également avoir des applications dans les domaines en développement du traitement de l’information quantique et de la cryptographie quantique. »Parmi les implications pour le développement, « Cet exploit, le partage d’informations quantiques sous forme de lumière et non pas sous une mais deux formes atomiques, offre un grand encouragement à ceux qui espèrent développer des ordinateurs quantiques », a déclaré Jeremy Bloxham, doyen de la Faculté des arts et des sciences. Hau a reçu le prix George Ledlie pour ce travail, le prévôt de Harvard, Steven Hyman, notant que « son travail est révolutionnaire. Ses recherches brouillent les frontières entre la science fondamentale et la science appliquée, s’appuient sur le talent et les personnes de deux écoles et de plusieurs départements, et fournissent un exemple littéralement éclatant de la façon dont prendre des risques intellectuels audacieux conduit à de profondes récompenses. »
En 2009, Hau et l’équipe ont refroidi par laser des nuages d’un million d’atomes de rubidium à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Ils ont ensuite lancé ce nuage atomique d’un millimètre de long vers un nanotube de carbone en suspension, situé à environ deux centimètres et chargé à des centaines de volts. Les résultats ont été publiés en 2010, annonçant de nouvelles interactions entre les atomes froids et les systèmes à l’échelle nanométrique. Ils ont observé que la plupart des atomes passaient, mais qu’environ 10 par million étaient inévitablement attirés, ce qui les faisait accélérer considérablement à la fois en mouvement et en température. « À ce stade, les atomes accélérés se séparent en un électron et un ion tournant en parallèle autour du nanofil, complétant chaque orbite en quelques trillionièmes de seconde. L’électron finit par être aspiré dans le nanotube via un tunnel quantique, provoquant le rejet de son ion compagnon – repoussé par la forte charge du nanotube de 300 volts – à une vitesse d’environ 26 kilomètres par seconde, soit 59 000 miles par heure. »Les atomes peuvent se désintégrer rapidement, sans avoir à entrer en collision les uns avec les autres dans cette expérience. L’équipe constate rapidement que cet effet n’est pas produit par la gravité, calculée dans les trous noirs qui existent dans l’espace, mais par la charge électrique élevée dans le nanotube. L’expérience combine la nanotechnologie avec des atomes froids pour démontrer un nouveau type de détecteur intégré à puce à un seul atome à haute résolution qui pourrait finalement être capable de résoudre les franges de l’interférence des ondes de matière. Les scientifiques prévoient également une gamme d’études fondamentales à un atome rendues possibles par leur configuration.
Source: Wikipédia