Les chercheurs ont réussi à réaliser une nouvelle variante de la célèbre expérience à double fente. Ici, les fentes à travers lesquelles la lumière est projetée ont été réalisées non pas spatialement mais temporellement.
L’expérience classique de la double fente
L’expérience à double fente, qui remonte à Thomas Young, est l’une des expériences les plus célèbres de la physique. Il a été utilisé pour montrer que la lumière a des propriétés ondulatoires et n’est pas simplement constituée de particules, comme l’avait supposé Isaac Newton. Plus tard, elle fut utilisée pour modifier l’hypothèse ondulatoire et servit ainsi de base à la mécanique quantique.
Dans l’expérience à double fente, la lumière monochromatique, c’est-à-dire la lumière qui n’a qu’une seule longueur d’onde, est projetée à travers un matériau doté de deux fentes verticales. Derrière cela se trouve un écran de détection. La lumière, qui a des propriétés ondulatoires, se divise grâce à la double fente. Les ondes lumineuses ainsi réfractées interfèrent après la fente et produisent un motif d’interférence typique sur l’écran du détecteur. Si la lumière était constituée de particules au sens de Newton, ce phénomène d’interférence ne pourrait pas se produire.
L’expérience de la double fente et la mécanique quantique
Albert Einstein a reçu le prix Nobel en 1921 pour avoir expliqué l’effet photoélectrique, qui consiste en des photons qui interagissent avec la matière de telle manière qu’ils peuvent libérer les électrons de leurs liaisons. L’effet photoélectrique et son explication sont incompatibles avec l’hypothèse ondulatoire de la lumière, qui semble prouvée par l’expérience de la double fente : les photons sont des particules lumineuses. La lumière est projetée par une variante de l’expérience à double fente, dans laquelle on tente de tirer des photons uniques à travers la double fente. Ici, un résultat apparaît sur l’écran du détecteur qui ressemble à un mélange des résultats attendus pour les ondes lumineuses et les particules lumineuses. Dans un premier temps, des points individuels clairement définissables sont visibles sur l’écran du détecteur. Cependant, si l’expérience est réalisée sur une longue période, un motif d’interférence apparaît, formé à partir de ces points clairement délimitables.
Cela devient encore plus intéressant lorsqu’on tente de déterminer le trajet des photons. À cet effet, un dispositif est fixé à l’une des deux fentes qui polarise les photons qui la traversent. De cette façon, le chemin emprunté par les photons est clairement visible sur l’écran du détecteur : les photons polarisés sont passés par la fente A, les non polarisés par la fente B. Si cet appareil est utilisé, aucun motif d’interférence n’apparaît sur l’écran du détecteur, même après un long moment. Au lieu de cela, le résultat est une image à laquelle on peut s’attendre uniquement lorsque la lumière est constituée de particules et non d’ondes. Cet effet est appelé effet d’observation : si nous commençons à mesurer de la manière décrite, le comportement des particules change.
Les résultats ne peuvent être expliqués ni par l’hypothèse de Newton selon laquelle la lumière est constituée de particules, ni par l’hypothèse selon laquelle la lumière est composée d’ondes. Les deux hypothèses, qui semblent s’exclure mutuellement, peuvent être à la fois confortées et affaiblies par les résultats. Cela a conduit à un changement de paradigme qui est à la base de la mécanique quantique. La lumière présente à la fois des propriétés de particules et d’ondes. Dans certaines expériences, les deux propriétés apparaissent, tandis que dans d’autres, une seule des deux propriétés apparaît. Les objets qui présentent une telle dualité onde-particule sont appelés objets quantiques. Ce qui constitue exactement ces objets quantiques et ce que signifie finalement la dualité onde-particule n’est pas encore clair. Ce sont précisément ces questions qui intéressent la mécanique quantique. Par conséquent, cela serait inconcevable sans l’expérience à double fente qui a démontré pour la première fois l’existence des objets quantiques.
Expérience à double fente avec des fentes temporelles
Les chercheurs ont maintenant réussi à réaliser une autre variante de l’expérience à double fente. Celui-ci utilise des fentes qui diffèrent dans le temps plutôt que dans l’espace. Concrètement, on a utilisé un matériau qui peut être modifié très rapidement. Avec ce matériau, deux fentes ont été créées quelques femtosecondes l’une après l’autre. Ceux-ci n’étaient donc pas adjacents dans l’espace, mais temporellement les uns après les autres. Le matériau semi-conducteur oxyde d’indium et d’étain a été utilisé à cet effet.
Le résultat de l’expérience est intéressant. Contrairement à l’expérience spatiale à double fente, ce n’est pas la distribution du rayonnement qui a été modifiée, mais sa fréquence. La lumière est diffusée dans différentes longueurs d’onde par les fentes qui s’ouvrent les unes après les autres dans le temps. Les nouvelles fréquences étaient jusqu’à dix bandes passantes éloignées de la fréquence d’origine. Puisque la fréquence de la lumière détermine sa couleur, tout cela signifie également un changement de couleur de la lumière à travers la double fente temporelle. La distance temporelle entre les deux fentes détermine l’étendue de la répartition des fréquences, tandis que la forme de la fente détermine le nombre de bandes d’interférence visibles sur l’écran du détecteur.
Pour l’instant, ces nouveaux résultats de recherche ne sont pas pertinents pour des applications pratiques. Cependant, ils pourraient constituer la base du développement ultérieur des ordinateurs quantiques optiques et de la transmission de données basée sur ceux-ci.
