Un, deux, trois - beaucoup

Elisabeth Schlottmann et Marco Schmidt, tous deux chercheurs assistants de Prof. Reitzenstein à la TU Berlin, présentent la structure complexe du détecteur de photons spécialisé. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Pour la plupart des gens, la lumière est simplement de la lumière. Pas pour les physiciens du groupe de travail de Stephan Reitzenstein, de l'Institut de physique du solide à la TU Berlin. « Nous nous intéressons précisément aux processus par lesquels la lumière (c'est-à-dire les photons) est émise. La statistique des photons, c'est-à-dire combien de photons sont contenus dans une impulsion lumineuse donnée, nous renseigne notamment sur le fait qu'il s'agit de lumière laser (appelée lumière cohérente) ou de lumière thermique normale (appelée lumière incohérente). Lorsqu'il s'agit de sources lumineuses puissantes, la distinction entre la lumière cohérente d'un laser et la lumière thermique, par exemple d'une bougie, est généralement très simple. La situation devient plus compliquée avec de faibles impulsions lumineuses, comme celles émises par des sources nanophotoniques. Grâce aux travaux de recherche récemment publiés en collaboration avec l'Institut fédéral de physique technique (PTB), il a été possible pour la première fois de développer une méthode de mesure qui peut également mesurer le nombre exact de photons dans des intensités extrêmement faibles.

Les détecteurs photodiodes classiques manquent de la sensibilité nécessaire pour détecter un seul photon, encore moins pour déterminer le nombre exact de photons dans des impulsions lumineuses. Par exemple, ils ne peuvent pas faire la différence entre une impulsion contenant un million ou un million plus un photon. La situation est étonnamment plus simple avec des sources de photons uniques, que l'on peut caractériser à l'aide de détecteurs dits « clics ». On sait alors qu'elles n'émettent toujours qu'un seul photon. « Jusqu'à présent, le domaine intermédiaire intéressant, où des micro-lasers émettent des impulsions faibles d'environ 1 à 40 photons, restait non exploré. Ces micro-lasers spécifiques ont été développés en collaboration avec des collègues du groupe du Professeur Sven Höfling à l'Université de Würzburg », explique Elisabeth Schlottmann, collaboratrice du groupe Reitzenstein, qui mène ces recherches.

« Grâce à notre excellente coopération de longue date avec la PTB Berlin, nous avons pu, en collaboration avec les collègues du groupe du Dr Jörn Beyer, mettre en place et utiliser dans nos laboratoires un détecteur appelé détecteur à seuil de transition », indique la scientifique. Le système de détection, développé par le NIST (Institut national des normes et de la technologie) aux États-Unis et la PTB, fonctionne à une température légèrement supérieure au zéro absolu, soit seulement 100 millikelvin – ce qui correspond à environ -273 degrés Celsius. Il devient ainsi possible de mesurer précisément si un, deux ou plusieurs photons arrivent simultanément dans une impulsion lumineuse. « Un tel détecteur ne peut pas être acheté facilement. Il n'existe que quelques systèmes de détection de ce type dans le monde », ajoute Stephan Reitzenstein.

« Avec ce détecteur, nous obtenons des informations beaucoup plus approfondies sur une impulsion lumineuse que ce qui est généralement possible. Nous avons ainsi pu prouver que deux micro-lasers, qui semblaient avoir les mêmes propriétés avec les méthodes de mesure classiques, présentent en réalité, à chaque impulsion, une distribution différente de photons. Le nombre de photons par impulsion suit une certaine distribution de probabilités », explique Elisabeth Schlottmann. Pour déterminer la forme exacte de cette distribution, la chercheuse a effectué des millions de mesures avec des impulsions individuelles, en comptant précisément le nombre de photons dans chaque impulsion. À partir de ces résultats, elle a créé une sorte d'histogramme permettant de prévoir avec quelle probabilité un micro-laser émettra un nombre précis de photons lors d'une impulsion donnée.

« Le détecteur peut également distinguer si les photons proviennent d'une lumière chaotique – c'est-à-dire thermique – ou d'une distribution cohérente de photons, comme on l'attend d'un laser. Cela nous permet de faire une séparation nette entre impulsions laser et impulsions thermiques, même dans le régime quantique des photons individuels. Fait intéressant, la lumière laser et la lumière thermique peuvent produire la même puissance, mais leur histogramme de photons est complètement différent », précise Elisabeth Schlottmann.

« Jusqu'à présent, ce type de mesure pour les micro-lasers n'existait pas. C'est aussi un résultat intéressant pour tous les théoriciens qui ont fait des prédictions sur la distribution des photons dans ces micro-lasers. Nous pouvons désormais vérifier si la distribution prévue correspond à la réalité ou si les théoriciens doivent revoir leurs modèles », explique Stephan Reitzenstein, qui a obtenu ces résultats dans le cadre de sa bourse ERC Consolidator « EXQUISITE ».

Exploration de la distribution du nombre de photons dans des micro-lasers bimodaux avec un détecteur à seuil de transition
E. Schlottmann, M. von Helversen, H. A. M. Leymann, T. Lettau, F. Krüger, M. Schmidt, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Beyer, J. Wiersig, et S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI :10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Mesure de la distribution du nombre de photons d'un condensat d'excitons-polaron
M. Klaas, E. Schlottmann, H. Flayac, F. P. Laussy, F. Gericke, M. Schmidt, M. v. Helversen, J. Beyer, S. Brodbeck, H. Suchomel, S. Höfling, S. Reitzenstein, et C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Publié le 25 juillet 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI : 10.1103/PhysRevLett.121.047401